2017 Fiscal Year Research-status Report
６次元ボルツマン方程式により探る多次元超新星爆発メカニズム
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15K05093
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| Research Institution | Numazu National College of Technology |
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Principal Investigator |
住吉 光介 沼津工業高等専門学校, 教養科, 教授 (30280720)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 理論核物理 / 理論天文学 / ニュートリノ / 輻射輸送 / 超新星 / 爆発 / 計算科学 / 京コンピュータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超新星爆発は、重い星が進化を遂げた最期に起きる華々しい天体現象である。長年の研究により、重力崩壊から爆発へ至るメカニズムの概略は描かれているが、多次元効果の中で起こる爆発の鍵が何であるかは現在でも決着がついていない。本研究では、多くの数値シミュレーションにおいて近似が施されているニュートリノ輻射輸送を厳密な計算により扱うことで、残存する近似を排して爆発メカニズムの主たる要因を特定することにある。今年度の研究では、ボルツマン方程式によるニュートリノ輻射流体計算コードを超新星コアの数値シミュレーションに応用することで、計算法と近似方法の検証、状態方程式の影響、親星の違いによる観測シグナルに関する研究を行った。
（１）京コンピュータにおいて６次元ボルツマン方程式ソルバーを組み込んだニュートリノ輻射流体計算コードによる軸対称大規模シミュレーションを実行して、２つの状態方程式を用いた際の違いを探ることを行った。同一の親星（初期条件）からの重力崩壊ののち、爆発に至る場合と不発に終わる場合に結果が分かれることを明らかにして、その違いを明らかにした。
（２）６次元ボルツマン方程式ソルバーによる計算と、モンテカルロ法による計算により、超新星コアにおける多次元ニュートリノ輻射輸送の振る舞いを比較して、ボツルマン方程式による計算法が正しく振舞うことを検証して、近似計算法における問題点を指摘した。
（３）様々な質量の親星における超新星ニュートリノの予測計算を行い、コンパクトネスの違いにより、爆発に至り中性子星、不発によりブラックホール、が誕生する場合にわけて、ニュートリノ放出の特徴を導き出して、超新星背景ニュートリノ観測により両者の境目を導き出すことを提案した。
また、３次元計算コードの開発、状態方程式の整備などを行った。これらの成果について、国内・国際会議による口頭発表、査読論文による発表を行なった。
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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
本研究の主な目的である、多次元ニュートリノ輻射流体計算による爆発メカニズムの研究は、順調に進んでいる。京コンピュータにより大質量星を用いた２次元軸対称での数値シミュレーションの実行により、状態方程式が違う場合に、爆発と不発で結果が分かれること、その物理的な解析例を示すことができた点は、世界的にも価値が高い。
京コンピュータの時間枠を用いても年間２モデル程度に限定されるという巨大計算は研究進行上の厳しい点である。一般公募に応募して、新たに計算資源を獲得することも行った。これにより、回転の効果、状態方程式の影響を探る計算モデルを増やす方向にも取り組んでいる。
中性子星合体からの重力波観測により、状態方程式への制限が得られており、これに対応した状態方程式テーブルの整備を行って、数値シミュレーションへ適用して、原子核物理の影響を定める研究を拡充している。
６次元ボルツマン方程式を解くニュートリノ輻射輸送計算による多次元輻射輸送現象の研究は、順調に進んでいる。モンテカルロ法との比較計算を行い、ボルツマン方程式による計算コードが正しく振舞うことを検証できた。また、近似計算法の問題点を明らかにして、ボルツマン方程式の有利な点を示した。
計算コードの開発と整備についても、ほぼ順調に進展している。３次元計算への拡張を行ってテスト計算を行っており、時間ステップ刻みの制限となる中心部の計算法を改良して、時間発展を長く追うための方法を開発した。
また、超新星ニュートリノ観測へ向けて、球対称における系統的な計算を行い、爆発モデルの構築へ向けた基礎データを整備して、超新星背景ニュートリノへの応用研究を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究においては、マルチメッセンジャー分野における発展を踏まえて、重力波やニュートリノ天文学を見据えた研究を行っていく必要性が高まっている。これに対応して、中性子星の観測による制限に基づいた状態方程式の開発と応用、超新星ニュートリノシグナルの系統的な予測が求められており、これらに対応して、原子核・天文物理の広い分野への貢献度を高めることも重要となっている。
ニュートリノ輻射流体計算による研究については、多次元だけでなく、球対称の場合についても、親星モデル、状態方程式を変えた場合の爆発現象の普遍性や多様性を探ること、が課題となっている。これらを京コンピュータや他の計算機資源を活用して、他の研究者と協力して組織的に行うことが肝要である。特に、京コンピュータは運用の終わりが近づいていること、計算機資源におけるアーキテクチャーの変遷があり、計算コードの移植やチューニングなどを行なうことも課題である。これについては、計算科学分野の研究者と共同研究を行っている。
さらに、３次元計算については、第一原理計算へのチャレンジであり、最終的な目標へ向けて計算コードのテストと調整を進めている。現在の京コンピュータの計算資源をもってしても、短い時間発展を追うのが精一杯である。全体の計画のうち３次元での研究は限定的になることが予想される。しかし、計算を実現できているのは大きな進歩である。次世代のスーパーコンピュータへ向けたスケールアップの周到な準備が必要である。
また、状態方程式だけでなく、ニュートリノ反応の整備についても、世界的な発展があり他のグループとの比較を交えて検証することも課題となっている。これについては、重要なものから順次取り入れて評価していく研究を進めていく予定である。
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| Causes of Carryover |
本研究においては、複数の共同利用施設における大規模スーパーコンピュータ群による数値シミュレーションを行なっており、限られた資源における計算実行の状況に依存して、研究の進展に幾らかの不定性があり、これに関連して予算の執行時期に若干の幅を持たせざるを得ない部分がある。具体的には下記のような理由があげられる。平成２９年９月に高エネルギー加速器研究機構のスーパーコンピュータがシャットダウンとなり、数値シミュレーションの結果データの保全が必要となったが、管理側の事情によりデータ転送や保全作業の遅れがあり、保存用のハードディスク群の導入などを延期した。
上記で述べたように、数値シミュレーションの実行状況に応じて臨機応変に対応して、必要な部分を速やかに執行する予定である。スーパーコンピュータのデータ移行については、アーカイブ作業を順次行う予定であり、受領したデータアーカイブの整理により、必要なディスク量が明らかになり次第、保存用ハードディスク群の導入を行なう予定である。研究打合せについては、数値シミュレーションの詳細に関して定期的な国内出張を実施する見込みである。パソコンの整備については、ハードウェア・ソフトウェアの更新などを予定しており、新年度において順次必要となるものを導入する。
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