原始ブラックホールで探る新しい宇宙論

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 重力波物理学・天文学：創世記
• 研究課題/領域番号: 20H04750
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 郡 和範 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (50565819)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ブラックホール / ダークマター / インフレーション / 重力波 / 宇宙マイクロ波背景放射 / ガンマ線 / 宇宙線 / 陽電子

研究実績の概要

2020年9月にNANOGrav12.5yrグループにより、電波によるパルサータイミングの観測による変調について、ナノヘルツ帯での重力波背景放射のシグナルの可能性があるとするデータが発表された。K. Kohri and T. Terada,Phys.Lett.B 813 (2021) 136040において、それが初期宇宙のインフレーションが作った小スケールの大きな曲率ゆらぎの非線形効果でつくられた背景重力波であるとするアイディアを発表した。そうしたゆらぎは同時に太陽質量程度の質量の原始ブラックホールを作る。そうした原始ブラックホールが衝突する際にもヘルツ帯の背景重力波を生成し、将来のLIGO-Virgo-IndiGO-KAGRAの重力波実験でこれを検証できることを示した。

Chul-Moon Yoo, TomohiroHarada, Shin'ichi Hirano, Kazunori Kohri, PTEP 2021 (2021) 1, 013E02では、ピーク統計を用い、曲率ゆらぎが任意のスペクトルを持つ場合に 作られる原始ブラックホールの量の推定について議論を一般化した。また、TomohiroHarada, Chul-Moon Yoo, Kazunori Kohri, Yasutaka Koga, Takeru Monobe,Astrophys.J. 908 (2021) 2, 140において、宇宙初期の放射優勢宇宙に、曲率ゆらぎから生成された原始ブラックホールのスピンについて、ピーク統計を用いて詳細に議論した。

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

2020年度は順調に原始ブラックホール関係のメインの論文３本を発表し、また、関連論文を11本発表した。2020年度の達成目標であるピーク統計を用いた詳細な原始ブラックホール生成の研究について、共同研究者が優秀であることに加え、彼らとの連絡がスムーズに行われ、それら研究を期待以上に早くまとめあげられた点がその理由である。

今後の研究の推進方策

計画 C) 原始ブラックホールの周りの降着円盤形成の数値シミュレーション: 計画 A)で定式化を下に、原始ブラックホールへの降着を数値シミュレーションを実行する。得られた結果をもとに、投稿論文を執筆する。計画E)原始ブラックホールとインフレーション理論・素粒子物理学との整合性

原始ブラックホールは、宇宙が生まれて間もない頃、小さなスケールの大きなゆらぎを持つ領域が潰れることで形成される。そうしたゆらぎを生むメカニズムとしてインフレーションの量子ゆらぎが有力な機構として知られている。大スケールでのCMBなどの観測を満たしながら、小スケールでは原始ブラックホールを生成する量子ゆらぎをつくるインフレーションモデルの理論整備が急務である。あるクラスのインフレーションモデルはゆらぎの非ガウス的な分布を予言することが知られている。皮肉にも、そのようにゆらぎの分布がガウス性から著しくずれる場合、PopIII星の形成量が大きく変更を受けることが知られている[Koushiappas and Loeb, 2017]。つまり、インフレーションモデルに依存して、天体起源説と原始ブラックホール説の両方が影響を受けることになるのである。両者をはっきりと区別することにより、インフレーション理論を検証し、その基礎となる素粒子理論の新理論の情報を得ることを目標とする。

研究成果

• [国際共同研究] LAPTh, Annecy/Montpellier/Paris No.7 U(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: LAPTh, Annecy/Montpellier/Paris No.7 U
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] Queen Mary, U of London/Oxford U/Leeds U(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Queen Mary, U of London/Oxford U/Leeds U
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] Max Planck Inst./Bonn U(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Inst./Bonn U
• [国際共同研究] IBS, Daejeon/APCTP, Pohang(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: IBS, Daejeon/APCTP, Pohang
• [国際共同研究] Aarhus U./Bohr Inst.(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: Aarhus U./Bohr Inst.
• [雑誌論文] Spins of Primordial Black Holes Formed in the Radiation-dominated Phase of the Universe: First-order Effect (2021)
  • 著者名/発表者名: Harada Tomohiro、Yoo Chul-Moon、Kohri Kazunori、Koga Yasutaka、Monobe Takeru
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 908 ページ: 140～140
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd9b9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array for probing cosmology and fundamental physics with gamma-ray propagation (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Abdalla et al
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2021 ページ: 048～048
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/02/048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Solar-mass primordial black holes explain NANOGrav hint of gravitational waves (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohri Kazunori、Terada Takahiro
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 813 ページ: 136040～136040
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2020.136040
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to a dark matter signal from the Galactic centre (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Acharyya et al
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2021 ページ: 057～057
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/01/057
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The First Three Seconds: a Review of Possible Expansion Histories of the Early Universe (2021)
  • 著者名/発表者名: Allahverdi Rouzbeh et al
  • 雑誌名: The Open Journal of Astrophysics 巻: 4 ページ: 2021
  • DOI: 10.21105/astro.2006.16182
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct Measurement of the Cosmic-Ray Carbon and Oxygen Spectra from 10??GeV/n to 2.2??TeV/n with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Adriani et al
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 ページ: 251102
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.251102
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Abundance of primordial black holes in peak theory for an arbitrary power spectrum (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoo Chul-Moon、Harada Tomohiro、Hirano Shin’ichi、Kohri Kazunori
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 ページ: 1300
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa155
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Constraints on electron-scattering interpretation of XENON1T excess (2020)
  • 著者名/発表者名: Chigusa So、Endo Motoi、Kohri Kazunori
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2020 ページ: 035～035
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/10/035
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Big-bang nucleosynthesis with sub-GeV massive decaying particles (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki Masahiro、Kohri Kazunori、Moroi Takeo、Murai Kai、Murayama Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2020 ページ: 048～048
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/12/048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] CALET on the International Space Station: the first three years of observations (2020)
  • 著者名/発表者名: P. Brogi et al
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: 95 ページ: 074012～074012
  • DOI: 10.1088/1402-4896/ab957d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cosmic-ray signatures of dark matter from a flavor dependent gauge symmetry model with neutrino mass mechanism (2020)
  • 著者名/発表者名: Motz Holger、Okada Hiroshi、Asaoka Yoichi、Kohri Kazunori
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 ページ: 83019
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.102.083019
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Inflaton as the Affleck-Dine baryogenesis field in hilltop supernatural inflation (2020)
  • 著者名/発表者名: Lin Chia-Min、Kohri Kazunori
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 ページ: 43511
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.102.043511
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MeV-scale reheating temperature and cosmological production of light sterile neutrinos (2020)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Takuya、Hiroshima Nagisa、Kohri Kazunori、Hansen Rasmus S.L.、Tram Thomas、Hannestad Steen
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2020 ページ: 015～015
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/08/015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] CALET results after three years on the International Space Station (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Asaoka et al
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012074～012074
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012074
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cosmic microwave background bounds on primordial black holes including dark matter halo accretion (2020)
  • 著者名/発表者名: Serpico Pasquale D.、Poulin Vivian、Inman Derek、Kohri Kazunori
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 ページ: 23204
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.023204
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LiteBIRD satellite: JAXA's new strategic L-class mission for all-sky surveys of cosmic microwave background polarization (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Hazumi et al
  • 雑誌名: Proc. of SPIE 巻: 11443 ページ: 114432F
  • DOI: 10.1117/12.2563050
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Concept design of low frequency telescope for CMB B-mode polarization satellite LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekimoto et al
  • 雑誌名: Proc. of SPIE 巻: 11453 ページ: 1145310
  • DOI: 10.1117/12.2561841
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of the medium and high frequency telescopes of the LiteBIRD space mission (2020)
  • 著者名/発表者名: Montier Ludovic et al
  • 雑誌名: Proc. of SPIE 巻: 11443 ページ: 14432G
  • DOI: 10.1117/12.2562243
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Cosmological accretion on to the primordial black hole + CDM halo system (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazunori Kohri
  • 学会等名: 天体形成研究会2020 Online, 筑波大宇宙物理理論研究室
  • 招待講演
• [学会発表] Primordial black holes and stochastic gravitational wave background reported by NANOGrav 12.5yr (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazunori Kohri
  • 学会等名: AAPPS-DACG Workshop on Astrophysics, Cosmology and Gravitation Online
  • 国際学会
• [学会発表] Primordial black holes and stochastic gravitational wave background reported by NANOGrav 12.5yr (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazunori Kohri
  • 学会等名: JGRG 2020 Online
  • 国際学会
• [学会発表] Solar-Mass Primordial Black Holes Explain NANOGrav Hint of Gravitational Waves (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazunori Kohri
  • 学会等名: The 26th KAGRA Face-to-Face meeting in remote style, Session 02 / 13:30-14:30 JST/ Plenary / Contribution talks, Academia Sinica, Taiwan
  • 国際学会
• [学会発表] Formations of primordial black holes in the early matter-dominated Universe (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazunori Kohri
  • 学会等名: Cosmology Seminar Online, Helsinki University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Series: What is the spacetime of the Universe? 1st: Cosmology online (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 朝日カルチャーセンター藤沢
  • 招待講演
• [学会発表] Series: What is the spacetime of the Universe?, ``2nd: Inflation online (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 朝日カルチャーセンター藤沢
  • 招待講演
• [学会発表] KAGRA, ``4th: Gravitational wave from the early Universe (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 朝日カルチャーセンター新宿
  • 招待講演
• [学会発表] What is the spacetime of the Universe?, ``3rd: ``Carrying out research examining the past, present, and future of the Universe (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 朝日カルチャーセンター藤沢
  • 招待講演
• [学会発表] 初期宇宙からの重力波とDECIGO (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 第19回DECIGOワークショップ Online
  • 招待講演
• [学会発表] 原始ブラックホール (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 素粒子現象論研究会 2020、大阪市大、大阪
  • 招待講演
• [学会発表] KAGRAと基礎物理 (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: KEK 研究推進会議 KAGRA, KEKつくば、つくば市
  • 招待講演
• [学会発表] MeV-scale reheating temperature and neutrino oscillation in the early Universe (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 新学術領域「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」2020 Online
• [学会発表] Curvaton and the Moduli problem in supergravity (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: KEK CMBグループ年始発表会 Online
  • 招待講演
• [学会発表] Series At the cutting edge of research on black holes , ``The Nobel Prize in Physics 2020: 1/2 (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 朝日カルチャーセンター藤沢
  • 招待講演
• [学会発表] NANOGrav12.5yr hints of Gravitational Waves and Solar-Mass Primordial Black Holes (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 新学術 重力波創世記 The Forth Annual Area Symposium Online
  • 国際学会
• [学会発表] Series: At the cutting edge of research on black holes , ``The Nobel Prize in Physics 2020: 2/2 (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 朝日カルチャーセンター藤沢
  • 招待講演
• [学会発表] What is the spacetime of the Universe? online (2020)
  • 著者名/発表者名: 郡和範
  • 学会等名: 渋谷区ハチコウ大学
  • 招待講演
• [図書] 「ニュートリノと重力波」のことが一冊でまるごとわかる (2021)
  • 著者名/発表者名: 郡 和範
  • 総ページ数: 273
  • 出版者: ベレ出版
  • ISBN: 978-4860646493
• [図書] 宇宙物理学ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 共著、高原文郎、家正則、小玉英雄、高橋忠幸 他
  • 総ページ数: 912
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 978-4254131277
• [図書] 相対論と宇宙の事典 (2020)
  • 著者名/発表者名: 共著、安東正樹、白水徹也、浅田秀樹、石橋明浩、小林努、真貝寿明、早田次郎、谷口敬介 他
  • 総ページ数: 432
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 978-4254131284
• [備考] KEK-Cosmo on "Dark Matter"
  • URL: https://conference-indico.kek.jp/event/117/timetable/#day-2020-10-13
• [備考] KEK-Cosmo on "Gravitational Wave"
  • URL: https://conference-indico.kek.jp/event/117/timetable/#day-2020-11-04
• [学会・シンポジウム開催] 3rd KEK-PH + KEK-Cosmo Joint Lectures and Workshop on "Dark Matter" (2020)
• [学会・シンポジウム開催] 4th KEK-PH + KEK-Cosmo Joint Lectures and Workshop on "Gravitational Wave" (2020)