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グループの研究内容

(04/04/2017 last update)

一般相対論的宇宙物理学。具体的には、数値相対論、ブラックホールの形成、連星中性子星の合体、ブラックホール・中性子星連星の合体、回転星の重力崩壊、重力波放射、γ線バースト発生天体の形成、磁気流体現象、相対論的輻射流体などに関する研究を行っている。最近は、高次元重力理論やスカラーテンソル理論研究も数値相対論を用いて行っている。具体的研究内容は、以下のとおりである。

数値相対論

数値相対論に関する解説 (物理学会2006年5月号): /pdf)
数値相対論に関する解説 (物理学会2015年2月号): /pdf)

重力波の放出過程の理論的研究

連星中性子星の合体と最終状態

NS + NS --> BH

NS + NS --> HMNS

最近はこれまでの研究を発展させ、ニュートリノ冷却、現実的状態方程式を考慮したより現実的かつ詳細なシミュレーションを行うとともに、様々な質量、状態方程式を考慮した数百におよぶ系統的なシミュレーションを、関口雄一郎、木内建太、久徳浩太郎、仏坂健太らと行っている。

ブラックホール・中性子星連星の合体

ブラックホール-中性子星連星の合体は、最も有望な重力波源の1つであり、また天体物理学的にも興味深い研究対象である。この系の最後の運命は、ブラックホールと中性子星の質量比で大きく2つに分けることが出来る。仮に中性子星の質量を太陽の1.4倍、半径を10kmとし、またブラックホールは回転していないとしよう。すると、ブラックホールの質量が太陽質量の約4倍以上であると、中性子星は最終的にブラックホールに飲み込まれ、ブラックホールの質量が増えるのみで合体が終る。一方、ブラックホールの質量がそれよりも小さいと、中性子星は飲み込まれる直前に潮汐破壊される。潮汐破壊される場合には、中性子物質がブラックホール回りに降着円盤を作り、ガンマ線バースとの中心エンジンになるかもしれない。重力波源としての性質、および合体後に誕生する天体の性質を解明するため、数値相対論を用いたシミュレーション研究を進めている。この研究は久徳浩太郎、川口恭平が主に進めている。

Gravitational collapse/ブラックホールの形成

質量が太陽質量の約３０倍を超えるような非常に重い星は、進化の最終段階で重力崩壊を起こしブラックホールを形成すると考えられている。また、連星中性子星が合体したり、中性子星に多量の質量降着が起こるとブラックホールが形成される。したがって、宇宙には太陽質量の２倍から数１００倍程度の質量を持つブラックホールが、大量に存在していると考えられる。

一方、多くの銀河の中心には太陽質量の百万から数百億倍の質量を持つ超巨大ブラックホールが存在することが最近の観測から明かになりつつある。しかしながら、その形成メカニズムは良くわかっているとは言えない。

さらには宇宙のごく初期には、密度ムラから質量が太陽質量程度の原始ブラックホールが多数形成されたとする理論もある。

またある種の理論研究によると、初代天体(種族III)は数100太陽質量の恒星である可能性が指摘されており、その進化の最終状態は数百大量質量のブラックホールである可能性がある。

これらさまざまなスケール、異なる状況下におけるブラックホール形成を、現実的な問題設定の下で明かにすることは、今後の重力波観測や高エネルギー天体物理学とも絡んで重要であると考えられる。我々はこれらの問題を、主にシミュレーションを用いて研究している。アニメーションに関しては、γ線バーストの欄を参照。

高速自転する中性子星の不安定星

Instability of differentially rotating star

一般相対論的磁気流体シミュレーション

Collapse of Hyper Massive NS: Magnetic field line and Density

宇宙には、磁場が重要な役割を果たす天体現象が多数ある。超新星爆発や連星中性子星の合体もそういった天体現象かも知れない。磁場が存在し、かつ天体が差動回転していると磁場が捻られたり、あるいは磁気流体不安定性によって磁場が増幅し得る。初期のほんの小さな磁場でも、時間が立てば天体の構造を変化させるほど増大する可能性がある。例えば、差動回転する中性子星内では、磁場は捻られ増大し、角運動量輸送を引き起こし、中心をブラックホールへの重力崩壊へと導くかも知れない。また超新星爆発直後に誕生する原始中性子星は差動回転していると考えられるが、そういった星で磁気流体不安定性が発生すれば、爆発のメカニズムに何らかの修正を加える可能性もある。そういった理論的予測を明らかにするために、完全に一般相対論的磁気流体シミュレーションを2005年度から実行している。ここで使っている数値プログラムは、例えばブラックホール周りの降着円盤の磁気流体シミュレーションにももちろん適用可能であるし、実行すべき問題は数多い。

木内建太による計算例　(可視化：国立天文台4D2Uプロジェクト)

世界最高解像度の計算

γ線バーストの発生源の解明

γ線バーストとはγ線を主に放射する突発的な天体現象である。γ 線強度の時間変動がミリ秒程度と変化が大変速く, また発生するエネルギーの総量は太陽が一生かけて生成する量にも匹敵する(そのため遠宇宙で発生しても観測できる). このように特異な高エネルギー現象なので, その発生源は強重力天体, 具体的には, 質量が太陽の数倍程度のブラックホールと降着円盤からなるもの, と推測されている. 同じ場所で2度は繰り返さないので, その発生源は何らかの現象の結果形成され, やがてすぐに定常ブラックホールへと落ち着く, と考えられる. その現象の候補とされているのが, 大質量星の重力崩壊、連星中性子星の合体、中性子星・ブラックホールの合体などである. このような仮説の正否を、シミュレーションにより具体的に示し、明らかにすることを目指している。

Final fate of 100 solar-mass: Contour curves in the meridional plane (By Y. Sekiguchi) UN100-density
Final fate of a POPIII star: Contour curves in the meridional plane (By Y. Sekiguchi) POPIII-density

Viscous hydrodynamics

evolution of differentially rotating system

evolution of differentially rotating system (wide)

evolution of massive torus surrounding a black hole

高次元ブラックホール

最近、我々の時空の次元が5次元以上でもこれまでの観測や実験と矛盾しない理論が提唱されており、日本でも盛んに研究されている。特に加速器実験でミニブラックホールが誕生する可能性が指摘されて以来、高次元ブラックホールの研究が進んできた。高次元ブラックホールで特に興味深い点は、4次元ブラックホールと定性的にも大きく異なる可能性があることである。しかし、重力理論は非線型ゆえ、詳しい性質を解析的に調べることは難しい。そこで数値相対論を用いたブラックホールの研究を、吉野裕高ら2009年より進めている。最近の研究テーマは、高次元回転（カー）ブラックホールの安定性や、ブラックホールの高速2体衝突である。

Collision to merger
Collision to scattering

スカラーテンソル理論における連星中性子星の合体

一般相対論はこれまでにその破れが全く見つかっていない非常に成功した古典重力理論である。しかしながら、これまでの一般相対論の検証は、軌道半径の大きな連星中性子星や太陽系内のような弱い重力場の精密測定によってのみ行われている。重力波観測が始まると、中性子星やブラックホールの近傍のように強い重力場を伴う物体から放射される重力波を用いて一般相対論の検証が行われるようになると期待され、その結果、より強い制限を課すことができるようになるであろう。運が良ければ、一般相対論の破れが検証されるかもしれない。そこで、一般相対論とは異なる重力理論を用いて、期待される重力波源からの重力波の放射過程の研究を進め、重力波の波形に重力理論の特徴が反映されるのかについても調べている。

Animations for binary neutron star mergers for a scalar-tensor theory of gravity that admits spontaneous scalarization (e.g, Shibata et al., PRD 89, 084005, 2014)

Evolution of scalar field
Evolution of density

Evolution of scalar field
Evolution of density