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研究会:宇宙初期における時空と物質の進化 (5/28) @東大旧1号館150
背景重力波で探る第一世代星
東京大学 宇宙理論研究室諏訪 雄大
共同研究者:滝脇知也 ( 東大理 ) 、固武慶 ( 国立天文台 ) 、佐藤勝彦 ( 東大
理、 RESCEU)
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第一世代星
Big BangCMB
太陽系・惑星形成第一世代星形成
宇宙の重元素の根源宇宙の再電離の要因赤外背景放射の起源?高赤方偏移GRB?非常に重かった?
From Prof. Umemura’s web page宇宙で最初にできた天体 ( 第一世代星 )
1. 第一世代星の重力崩壊 2. 重力波計算 3. まとめ
銀河形成
宇宙暗黒時代( 杉山さん’ s talk) 再イオン化
( 戸谷さん’ s talk)
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第一世代星の重力崩壊のシミュレーション
250M¯ は PISN300M¯ は BH
250M¯ と 300M¯ の進化を球対称で計算。
さらに、 300M¯ については2次元 SPH 計算。
rotational axis
Radial Velocity
ブラックホール形成
Fryer et al.(2001)
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第一世代星とニュートリノ・重力波
第一世代星 巨大な質量ブラックホール形
成
莫大な重力エネルギーを解放 大量の重力波、ニュートリノ 放出
第一世代星 ref) 超新星重力波
EGW» 10-3M¯ c2 EGW» 10-7M¯ c2
ニュートリノ L » 1056 erg/sec L » 1053 erg/sec
1. 第一世代星の重力崩壊 2. 重力波計算 3. まとめ
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第一世代星の重力崩壊の観測
無理!!無理!!第一世代星はかなり遠方 (z ~ 10-20 、距離にすると Gpc のオーダー ) にあるので、観測は非常に厳しい。
大量のニュートリノ、重力波を出すなら単発の第一世代星の観測は可能?
単発で見えないなら、足し合わせならどうなる?
ニュートリノ背景放射重力波背景放射
他の天体からのもので隠されてしまう ( か
も )
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モデルによるが、観測可能性は高い。観測する上で邪魔になりそうな重力波源は見つかっていない。
重力波背景放射Sandick et al.(2006)
第一世代星起源重力波背景放射
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本研究のモチベーション先行研究の問題点第一世代星の重力崩壊の計算例がない 通常の超新星爆発の計算結果を用いて 第一世代星からの背景放射を計算
本研究の目標第一世代星の重力崩壊の数値シミュレーション 巨大質量を持つ星の重力波放射 より現実的な背景重力波のスペクトル
質量が全く違うのに、同じような放射をするという仮定は大丈夫?
1. 第一世代星の重力崩壊 2. 重力波計算 3. まとめ
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シミュレーション方法
• 2 次元軸対称を仮定• 流体計算 ZEUS-2D code (Stone & Norman 1992)
• 現実的状態方程式( Shen et al. 1998 )
• ニュートリノ冷却については、3種類のニュートリノを考慮• 自己重力もちゃんと計算
計算方法
初期モデル• 300 ~ 1000M¯ の星の平衡状態• コアは初期には等エントロピーであるとする。 (Fryer et al. 2001)
• 回転は微分回転(星の内側がよく回っている)を仮定し、回転エネルギー / 重力エネルギー= 0.005 とする。
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重力波計算
非球対称な 物質の動きニュートリノ放射
に着目。
最近注目されている重力波源
物質 ニュートリノ四重極公式
球対称では0になる
ソースまでの距離
ニュートリノ光度 非対称度
Epstein(1978), Mueller & Janka(1997)
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重力波波形
FT
最初は物質起源の重力波が支配的。最後はニュートリノ起源が支配的。
バウンスからの時間 [ 秒 ]
低周波数モードではニュートリノ起源。高周波数モードでは物質起源。
ニュートリノ
物質
合計
周波数 [Hz]103100
300M¯の場合
先行研究で仮定されたスペクトル
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背景重力波計算密度パラメータ
星形成率臨界密度 : 単発の第一世代
星からの重力波
• 星形成率は、 Sandick et al.(2006)
• 質量関数は Salpeter 型 : (m) / m-2.35 (300M¯~1000M¯)
• 宇宙論パラメータは、 WMAP の結果
計算に用いる仮定
質量関数
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背景重力波のスペクトル
DECIGO や BBO といった重力波干渉計で(相関を取らずに)十分見える強度
観測にかかり得るのはニュートリノ起源による低周波数側の重力波
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DECIGO ピークを拾えれば、第一世代星がどのくらいの z で最も形成されたのかが分かる
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まとめ
第一世代星からの重力波を定量的に評価物質起源ニュートリノ起源
背景重力波を計算検出可能性
ニュートリノ起源
1. 第一世代星の重力崩壊 2. 重力波計算 3. まとめ
※まだまだ不定性の大きい議論 特に星生成率は全く分かっていない