2019 Fiscal Year Annual Research Report
DecipheringPhysics of Core-Collapse Supernovae via Gravitational-wave Astronomy
| Project Area | Gravitational wave physics and astronomy: Genesis |
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| Project/Area Number |
17H06364
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| Research Institution | Fukuoka University |
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Principal Investigator |
固武 慶 福岡大学, 理学部, 教授 (20435506)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神田 展行 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (50251484)
滝脇 知也 国立天文台, 理論研究部, 助教 (50507837)
端山 和大 福岡大学, 理学部, 准教授 (70570646)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 超新星爆発 / 重力波天文学 / 中性子星 / ブラックホール / マルチメッセンジャー天文学 / スーパーコンピューティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はまず、データ解析に関する研究において、初年度に購入した重力波観測データ解析用計算機上に、超新星爆発からの重力波などの突発性重力波検出用の重力波探査用解析ソフトウェアを構築することが出来た。また、ソフトウェアのEnd-to-endテストを行い、実際に探査パイプラインとして機能することを確かめることが出来た。加えてLIGO、Virgoの観測O3と、KAGRAの試験観測のデータを用いて、１～７日程度のタイムスケールで3局の観測データの解析を行うことができること、LIGO,Virgoによる突発性重力波探査と同等の探査ができることを確認できた。さらに、2つの計算機クラスタに、KAGRAのデータは約3.5秒、海外のデータも15秒程度で、観測装置から処理された信号を連続的に受け取るよう調整を行えるようになったのも成果である。
理論研究のハイライトとしては、70太陽質量をもつ大質量星の空間3次元の一般相対論的シミュレーションを行い、新しい重力波波形の特徴を指摘できたことである。特に、長い継続時間をもつガンマ線バーストの親星のコアが普遍的に有すると考えられている「高速自転」に注目することで、low T/W不安定性と呼ばれる流体不安定性が成長し、コアバウンス後直後には、原始中性子星の表面からスパイラル上の渦状腕が伸び、その変形がバーモード状に遷移していくことで、極めて強い重力波放射が得られることを世界に先駆けて明らかにすることが出来た(Shibagaki et al. MNRAS Letters, 2019)。また、星震学と呼ばれる手法を使って超新星爆発中に、原始中性子星の固有振動によって生成される重力波の解析を行い、重力波放出に普遍的に寄与すると思われる振動が後期に原始中性子星の基本振動と解釈できることを発見することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、KAGRAの始動に合わせて、超新星重力波の検出に向けたデータ解析用ソフトウェアを構築することが出来たことが成果のハイライトの一つである。LIGO、Virgoの観測O3と、KAGRAの試験観測のデータを用いて、バースト重力波探索用に重力波干渉計からの信号データを連続的に解析サーバーで受け取ることで、低遅延で３局の観測データの解析を行うことができるようにしたことも、大きな進展と見なせる。また、理論から得られる超新星重力波をインプットとして、ウェブ上でデータ解析を行い、LIGO-Virgo-KAGRAのネットワークを想定した時に、どれくらいの信号-雑音比が得られるかなどの重要なアウトプットを得られる、オンライン・データ解析システムを現在構築中であり、この観点からも、本研究計画は順調に進展していると判断できる。
理論研究においては、これまで特に一般相対論的なニュートリノ輻射流体シミュレーションにおいては、その計算コストの高さから、高速自転を伴う大質量星コアの重力崩壊のシミュレーションを行う際に、システムに特別な空間対称性(八分儀(octant)対称性など)を仮定したものが主流であった。この人為的な対称性のため、コアの高速自転の結果生成される非軸対称モードをフルに数値シミュレーションで取り扱うことができなかった。今回、フルに空間3次元でさらに、詳細なニュートリノ反応を含む自転コアコラプスの計算を行うことで、非軸対称モードの長時間進化を明らかにすることが出来たのが大きな成果である。
一般相対論的な流体計算とセルフコンシステントなニュートリノ輻射輸送計算を両立したシミュレーションを行うことは、原始中性子星進化を定量的に正確に追うために不可欠であった。その意味で、本成果は、地道な数値コード開発の結果得られた成果であり、本研究計画が順調に進展していることを示すものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、超新星重力波の時間・周波数空間における特徴を明瞭に引き出す手法としてヒルベルトファン法を含むいくつかの新しい解析法の構築も同時進行的に行っている。本年度は、特に自転を伴う超新星爆発モデルから得られた重力波波形に対してこれらの解析を行い、重力波シグナルから、星の自転に関する情報に如何に迫れるか、定量的に詳しく調べる計画である。特に、重力崩壊直前のコアが高速自転さらには磁場を有する大質量星は、超高輝度超新星爆発や強磁場中性子星形成との関連が示唆され、そのダイナミクスを重力波から読み解くことは重要である。既に、星の自転によって誘起される非軸対称モードの成長については、その結果のハイライトを昨年度レター論文として発表したが、それらのモデルを更に詳しく解析し、非軸対称モードの成長を決めている物理機構についても詳細に調べ、フル論文としてまとめたい。また、磁気駆動(MHD)超新星爆発における重力波やニュートリノシグナルの理論予測も行い、観測可能性を精査する計画である。特に、LESA（自己維持的なレプトン放射非対称性）と呼ばれるニュートリノシグナルの時間変調現象が、近年の超新星理論の中で新たな謎として、その物理的機構を明らかにすることが焦眉の課題となっている。3D超新星モデルにおいて、特に、原始中性子星の対流現象を解析することで、LESAの謎に迫れると睨んでいる。この現象に関しても、重力波シグナルとの相関も含め、定量的に明らかにしていく計画である。
これまでの研究で、超新星爆発時に、コアが早く自転している場合、もしくはSASIと呼ばれる非軸対称モードモードが成長する時、超新星重力波が円偏光成分を持つことを指摘することが出来た。一方で、その検出可能性を議論するためには、重力波の円偏光に特化した検出パイプラインの構築が不可欠である。本年度は、その成果を論文としてまとめる計画である。
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[Journal Article] An arm length stabilization system for KAGRA and future gravitational-wave detectors2020
Author(s)
Akutsu T , Ando M , Arai K , Arai K , Arai Y , Araki S , Araya A , Aritomi N , Aso Y , Bae S , et al.
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Journal Title
Classical and Quantum Gravity
Volume: 37
Pages: 35004
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] The status of KAGRA underground cryogenic gravitational wave telescope2020
Author(s)
Akutsu T. , Ando M. , Araya A. , Aritomi N. , Asada H. , Aso Y. , Atsuta S. , Awai K. , Barton M. A. , Cannon K. , et al.
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Journal Title
Journal of Physics: Conference Series
Volume: 1342
Pages: 12014
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Vibration isolation system with a compact damping system for power recycling mirrors of KAGRA2019
Author(s)
Akiyama Y , Akutsu T , Ando M , Arai K , Arai Y , Araki S , Araya A , Aritomi N , Asada H , Aso Y , et al.
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Journal Title
Classical and Quantum Gravity
Volume: 36
Pages: 95015
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] First cryogenic test operation of underground km-scale gravitational-wave observatory KAGRA2019
Author(s)
Akutsu T , Ando M , Arai K , Arai Y , Araki S , Araya A , Aritomi N , Asada H , Aso Y , Atsuta S , et al.
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Journal Title
Classical and Quantum Gravity
Volume: 36
Pages: 165008
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Space gravitational-wave antennas DECIGO and B-DECIGO2019
Author(s)
Kawamura Seiji , Nakamura Takashi , Ando Masaki , Seto Naoki , Akutsu Tomotada , Funaki Ikkoh , Ioka Kunihito , K,a Nobuyuki , Kawano Isao , Musha Mitsuru , et al.
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Journal Title
International Journal of Modern Physics D
Volume: 28
Pages: 1845001
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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