2018 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。多次元効果の中で起こる爆発の鍵が何であるか多くの課題が残されている。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、回転する親星における多次元爆発ダイナミクスとニュートリノ輻射の解明、爆発におけるニュートリノ反応の影響、大質量星の重力崩壊現象からのニュートリノ放射の分析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、回転する星の重力崩壊におけるコアバウンスから衝撃波発展へ至るダイナミクスを明らかにした。この研究において、初めてニュートリノエネルギー・角度分布の非対称性が明らかになり、モーメント法において用いられている近似公式の問題点を指摘した。
（２）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球対称シミュレーションを実行して、大質量星の重力崩壊・コアバウンス・衝撃波伝播・ニュートリノ放出においてニュートリノ反応の違いが及ぼす影響について定量的に明らかにした。
また、ニュートリノ放出の親星による違い、ニュートリノ振動への影響についての応用研究を並行して行なった。
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。また、研究成果をもとに、超新星に関して物理過程の基礎から超新星ダイナミクス応用までを学んで理解するための、分野入門に適した書籍を出版した。
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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、回転する超新星におけるニュートリノ輻射輸送を明らかにした点は、世界的にも価値が高い。
京コンピュータの利用枠において一般公募による計算資源を追加獲得することで実行モデル数を増やすことが可能になってきた。これにより親星、回転の有無、状態方程式の違いを系統的に調べる方向で計算を進めている。このシミュレーション計算の結果は巨大なデータとなり、その解析やアーカイブは大きな問題であり、計算終了から論文出版までに時間がかかることは難点である。
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、ニュートリノ集団振動の解析にも応用できることが新たに分かり分析を進めている。また、中性子星合体における大きくゆがんだ超大質量原始中性子星における応用も可能であり、ボルツマン方程式による研究の新たな発展性が見えてきた。
原子核物理の影響を定める研究のため、広く普及した状態方程式テーブルの改良に着手しており、超新星爆発・ブラックホール形成の数値シミュレーションへの応用を行い、高密度領域における対称エネルギーの影響を探る研究が進行中である。また、ニュートリノ観測シグナル予測への応用にも着手した。
最終段階の目標の一つである３次元超新星の爆発計算について、京コンピュータによる大規模シミュレーション計算に成功した。バウンス後の短い時間発展であるが、２次元軸対称とは異なるニュートリノ輻射流体の様相が明らかになってきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ボルツマン方程式による多次元超新星爆発計算においては、２次元軸対称計算による系統的な解明と３次元計算の長時間化によるダイナミクス解明が引き続き課題である。３次元計算は第一原理計算のチャレンジであり、内部で起こる対流現象などの解明を行っていく。３次元計算による研究は解像度や時間発展が限定的になることが予想されるが、次世代のスーパーコンピュータへとスケールアップして引き継ぎ発展させる予定である。京コンピュータが２０１９年夏に運用停止となるため、データ移行処置が必要となっているが、他のスーパーコンピュータへの運用を開始して、切れ間なく数値シミュレーションを行っていく。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成果をあげはじめている。
今後の研究においては、スーパーカミオカンデをはじめとするニュートリノ検出器による観測と連携した研究を行っていく必要がある。実際に近傍で超新星爆発が起きた場合の超新星ニュートリノバースト、宇宙の歴史において蓄積された超新星背景ニュートリノのイベント数予測では、理論的なニュートリノ放出の系統的な研究が必須である。多次元超新星の数値シミュレーションによるニュートリノバーストの解析などは不足しており、残された課題となっている。基礎的なデータベースを構築および改良するためには親星モデル、状態方程式を変えた場合の系統的な数値シミュレーションが必要である。このため、球対称計算コードによる数値シミュレーションも並行して行なうこと、ニュートリノ反応の標準化などを通して素過程による不定性を抑えていくことが肝要である。
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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。数値シミュレーションの進展状況に応じて、予算一部による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、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順次行なう予定である。特に、京コンピュータがシャットダウンする関係上、これに合わせた需要が見込まれる。
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