| 研究課題/領域番号 |
26707013
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| 研究機関 | 福岡大学 |
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研究代表者 |
固武 慶 福岡大学, 理学部, 准教授 (20435506)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 超新星爆発 / 重力波 / ニュートリノ / 数値流体力学 / ニュートリノ輻射輸送 / 状態方程式 / 中性子星 / スーパーコンピューティング |
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| 研究実績の概要 |
当初の計画に従って本年度は以下の成果を得た。
(1)Woosley, Heger, Weaver (2002, 以下WHW02と略す)による進化モデル(11.2太陽質量)を初期条件に選び、超新星爆発の空間3次元+ニュートリノ位相空間1次元シミュレーションを実行した。本研究では、従来行ってきたシミュレーションに比べ、親星モデルにおける初期摂動の効果並びに数値分解能の効果をより系統的に調べることができた。その結果、3次元(3D)シミュレーションでは2次元(2D)シミュレーションに比べ、対流・衝撃波の不安定性にともなう乱流エネルギーがより小さなスケールまでカスケードすること、その結果ニュートリノ加熱によって復活した衝撃波の運動エネルギーが一般に2Dの方が大きくなることを明らかにできた。
(2)WHW02から得られた太陽組成を持つ親星モデルの全て(101モデル)を初期条件として選び、重力崩壊ならびに超新星爆発の多次元(2D)シミュレーションを行った。この系統的親星のランドスケープシミュレーションの結果に基づき、いわゆる赤色巨星問題と超新星レート問題を解決する一つの鍵として、親星のコンパクトネス（密度集中度）が重要な支配パラメータであることを指摘することができた。
(3)ブラックホールを形成する超新星爆発の動的進化を解明するために、空間3次元+ ニュートリノ位相空間1次元の一般相対論的輻射流体コードを作成した。ニュートリノ・電子散乱、ペア反応、ニュートリノ制動放射の効果まで含む、当該分野では最も先端的なコードの一つである。
(4)原始中性子星からのニュートリノ光度を仮定したモデル（ライトバルブ近似）を用いた3次元超新星シミュレーションを行い、星の自転のバウンス後のダイナミクスに及ぼす効果を調べた。自転の結果、遠心力の効果で衝撃波とニュートリノ加熱領域が扁平に変形することでゲイン領域の質量が無回転の時に比べ増加することが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
研究概要に記したそれぞれのテーマに関して達成度に関する自己評価を記載していく。
(1)超新星コアにおける乱流エネルギーの成長、周波数空間での輸送について、初めてセルフコンシステントな3Dシミュレーションに基づき知見を得ることをできた。2Dと3Dの違い並びに衝撃波復活の初期摂動依存性、数値分解能依存性を定量的に明らかにすることは、本課題で狙っている系統的シミュレーションを行う際に、選んだ初期条件（親星）が爆発するか・しないかをあらかじめ予測するために不可欠な指針を与えるものである。本研究課題の初年度にこのパートを完遂できたことで、次年度以降計画している、より系統的なシミュレーション研究への弾みをつけることができたと考えている。
(2)当初の計画通り、代表的な大質量星の進化計算(WHW02)を選び、その全てを初期条件として用いて多次元のセルフコンシステントなシミュレーションを実行することができた。
(3)当初の計画では、(1)のシミュレーション(マルチエネルギーニュートリノ輸送）のニュートン重力パートをポストニュートン近似にアップグレードする予定であった。一方で、競合する研究グループが同様の手法で3D シミュレーションを行い論文発表を昨年行ったことから(Tamborra et al. (2014), PRD)、本研究の計画を一部変更することを迫られた。結果として、これまでシングルエネルギーニュートリノ輸送で行っていたフルに一般相対論的なシミュレーション(Kuroda et al. (2012), ApJ)をマルチエネルギー輸送にアップグレードすることができ、コードとしては現状では当該分野で最高水準の一つと位置づけられるものを完成することができた。これは当初の計画を上回る大きな研究進展であると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度の結果を受け、今後進めるべきは3D, 2Dシミュレーションともに星の自転の効果を含む親星を用い、自転の爆発メカニズムに及ぼす効果を詳しく調べることである。先行する2Dシミュレーションによるランドスケープ探査では、Woosleyらによって今年度発表された親星(Sukhold & Woosley 2014, 151モデル)も新たに用いる計画である。KAGRAをはじめとする大型重力波干渉計が走り出そうとしている昨今、自転の効果まで考慮したときの3次元セルフコンシステントモデルにおける重力波（更にニュートリノシグナル）の定量的予測は、焦眉の課題で非常に研究インパクトが大きいものである。これまでの解析ノウハウを活かし、計算結果が得られ次第、すぐさま論文発表する計画である。新機軸の研究方策の一つとして、今後、金属欠乏星も初期条件として用いる計画である。特異な元素合成パターンを示すハロー星の観測事実をニュートリノ加熱機構で爆発する超新星でどこまで説明できるかについて今後、詳細に調べていく計画である。
一般相対論的計算で、バウンス後の長時間計算を行いブラックホール形成までの動的進化を明らかにする計画である。まずはシングルエネルギーのコードで、コンパクトネスが最も高い親星従ってブラックホール形成までの時間が短いと予想される初期モデルと柔らかい状態方程式の組み合わせを選び長時間計算を行う計画である。マルチエネルギーのコードは非常に計算コストが高いため、上記の長時間進化の一部分だけを追い、シングルエネルギーのコードで計算した結果と詳細に比較し、その妥当性を検討することが不可欠であると考えている。
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