次世代スーパーコンピュータ戦略プログラム・分野５「物質と宇宙の起源と構造」 科研費新学術領域「素核宇宙融合による計算科学に基づいた重層的物質構造の解明」 合同シンポジウム 「次世代スーパーコンピュータでせまる物質と宇宙の起源と構造」 課題(6) 超新星爆発の機構、ガンマ線バーストの中心源、 ブラックホールの誕生過程の解明 課題(9) 宇宙磁気流体・プラズマ現象の基礎過程の解明 松元亮治 千葉大学大学院理学研究科 宇宙時間 ビッグバン 10-44秒 天体の起源 インフレーション ダークマター生成 物質の起源 QCD相転移 10-4秒 陽子，中性子形成 軽元素合成 （水素,ヘリウム ,... ） 38万年 暗宇 黒宙 時 代 宇宙中性化 密度ゆらぎ ⑧ ⑥ 初代超新星／GRB 第一世代天体 小ブラックホール 宇宙最初の 重元素合成 （酸素, 炭素, 窒素... ） 宇宙再電離 4億年 ⑥ 超新星／GRB 初代銀河 元素合成 ⑧ 原始銀河 共進化 ⑨ （酸素, 炭素, 窒素, 金属元素, ...） 巨大ブラックホール ⑦ 星形成 ⑨ 137億年 （現在） 銀河団 ⑦ 惑星系 地球・太陽 星の金属組成 （金属欠乏星） 宇宙の活動性 HINODE 2006～ 星形成 活動銀河中心 原始星 ASTRO-G ジェット 星間ガス雲 銀河 太陽 ASTRO-H 2013 SUZAKU 2005～ MAXI 2009 Fermi 2008～ ガンマ線バースト 超新星爆発 大質量星 LIGO VIRGO LCGT Swift 2004～ 重力波望遠鏡 2015～ 課題６ ブラックホールや中性子星 の誕生過程 ＝宇宙最大の爆発現象 を伴う 1. ブラックホールの誕生 ⇒ ガンマ線バースト 想像図 光学撮影 2. 中性子星の誕生 ⇒ 超新星爆発 3. 中性子星連星の合体によ るブラックホール形成 ⇒ 別種のガンマ線 バースト？ 数値計算 これらは究極の物理学実験場 • 自然界には４つの力が存在： 重力(一般相対論)、電磁気力、 強い相互作用(原子核を作る)、 弱い相互作用(ニュートリノ放射等) • 超新星爆発やγ線バーストでは、 これら全てが重要な働きをする ⇒ 様々な物理学の試験場、応用現場 • 自然界でほかには存在しない貴重な 基礎科学実験場 超新星爆発40年来のなぞ 重い恒星は 進化の最後に たまねぎ構造 中心は鉄。 ? 鉄 NS ? 最初は広がる。 しかし途中で停滞。 エンジンは何だ？ 鉄核は 重力崩壊 を起こす 中性子星付近で 衝撃波が発生。 やがて中心に 中性子星が誕生 40年来の謎を解く いったいどのように爆発するのか？ ⇒ 複雑な物理過程全てを考慮する必要あり。 衝撃波の内側で、ニュートリノ輻射圧か 磁気圧が重要な役割を果たしている ⇒ 超大規模シミュレーションが唯一の解決法 輻射流体計算と磁気流体計算を進める • 4－6次元輻射流体計算(諏訪、固武、住吉、、、) メモリ数TB、総演算量約0.5PF年の計算が最低必要 • 磁気流体計算(三上、花輪、松本、、、)でも同様 いずれも世界最高級の計算 3次元磁気流体シミュレーション 中心核の重力崩壊後の衝撃波伝播とジェット形成の3次元磁気流 体シミュレーション結果 (Mikami, Hanawa and Matsumoto 2010) ガンマ線バーストの発生仮説 • 大質量星の重力崩壊 • ２重中性子星の合体 ブラックホールと円盤、が誕生し大爆発が起こる、 とされているが未解明。 特に、連星の合体に焦点を絞る 多数の基礎式と考慮すべき物理・要請 • • • • • • アインシュタイン方程式 流体力学/磁気流体方程式 バリオン数、電子数変化の方程式 ニュートリノ放射、ニュートリノ圧 原子核理論に基づく状態方程式 中性子星/ブラックホールを解像する高解像度 － 計算物理学のグランドチャレンジ － 数値相対論を、物理素過程を精緻化して 初めて実行 (関口、木内、久徳、柴田) 必要なメモリ約10TB、総演算量約0.3PF年 課題９ 宇宙磁気流体・プラズマ現象の基礎過程の解明 ブラックホール降着円盤とジェット M87 VLA+ HALCA 電波銀河Ｍ８７中心核から噴出するジェット VLBA 43GHz Walker et al. 2007 活動銀河中心核（AGN) ジェット 300rs=0.078pc ブラックホール近傍 降着円盤シミュレーションの発展 回転物質の降着を可能にする角運動量輸送機構を 明らかにすることが最大の課題だった • Balbus and Hawley 1991, Hawley and Balbus 1991 – 降着円盤で磁気回転不安定性が成長することを指摘 • Hawley et al. 1995, Matsumoto et al. 1995 …. – 磁気乱流が生成・維持されることを円盤の一部を取り出し た局所3次元磁気流体計算で示す • Matsumoto 1999, Hawley et al. 2000 …. – 円盤全体を含めた大局的な3次元磁気流体計算により、 十分な角運動量輸送率が得られることを示す。 • De Villiers et al. 2003, McKinney et al. 2009 … – 一般相対論的磁気流体コードを用いた3次元数値実験が 実施される。輻射によるエネルギー損失は無視。 ブラックホール降着円盤の大局的 3次元磁気流体(MHD)シミュレーション 画像提供：町田真美, M. Bursa氏 円筒座標系3次元250×64×384格子点 画像提供：加藤成晃氏 明るい円盤では輻射と物質の相互作用が重要 降着率 小さい 高温、ガス圧優勢 光学的に薄い 降着 ハードステート これまで行わ れてきたシ ミュレーション 冷却 暗い 磁気圧優勢 ソフトステートへ の状態遷移。 明るい jet 大きい L ~ 0.1LEdd 光学的に厚い円盤 輻射圧優勢 輻射と物質の 相互作用を含め た計算が必要 松元・廣瀬らが担当 磁気流体から輻射磁気流体へ 流体 計算領域を格子に 分割して差分化 3次元 ρ(t,x,y,z), v(t,x,y,z), P(t,x,y,z) 演算量∝N3×Nstep 磁気流体 +B(t,x,y,z) 輻射流束制限拡散（ＦＬＤ）近似 Ｂ 輻射流体 輻射磁気流体 磁気流体 + Ｉ (t,x,y,z,n,q,f) 総計算量： 0.5PF・年 Ｉ 輻射輸送方程式を解く N6×Nstep 相対論的プラズマ粒子シミュレーション • 相対論的宇宙プラズマ – パルサーウィンド (g ~ 106-7) – 電波銀河のジェット (g ~ 10) – ガンマ線バースト (g > 100) ガンマ線バースト パルサー 超新星 LHC AGN 10TeV 星野らが担当 宇宙から降り注ぐ粒子（宇宙線） 相対論的磁気リコネクション (Particle-in-Cell simulation) 非熱的粒子の加速 Radiative Loss を含めたシミュレーションを実施 0.1PF・年 ６次元宇宙物理学によるブレークスルー 原子 （磁気流体計算） ６次元輻射磁気流体力学 降着円盤の形成と進化 ジェット形成 無衝突衝撃波における 粒子加速 非熱的粒子の生成 廣瀬、松元ら 多波長スペクトル の直接計算 ６次元ブラソフ方程式 光 （輻射輸送計算） プラズマ粒子 （PIC,ブラソフ） 草野ら 非熱的粒子生成と 非熱的放射の計算 相対論的ジェット 降着円盤 多波長・高分解能観測 との直接比較 計算量：0.5PF・year 太陽ダイナモシミュレーション 黒 点 数 草野、柴田一成、横山らが担当 天体活動のプロトタイプとしての太陽活動を４０００＾３格子点の 対流層全球シミュレーションによって再現する。0.5PF・year 次世代宇宙シミュレーションの目標・計算規模 暗黒物質（ダークマター） 粒子法 現在の1000倍の分解能（太陽質量 0.5PF・yr 程度)で分布を明らかにする 初代星形成・銀河形成 6次元輻射流体 初代星形成、電離宇宙での 0.5PF・yr 銀河形成過程を明らかにする 天の川銀河の形成と進化 粒子法＋SPH 星形成領域が分解できる質量 0.5PF・yr 分解能を達成 超新星爆発 4―6D輻射流体/3D磁気 ニュートリノ輸送、現実的な状態方程式、 流体、0.5PF・yr 磁場等を考慮して重力崩壊過程を追う ガンマ線バースト：連星の合体 数値相対論+流体+ニュー 中性子星と中性子星/ブラックホールの トリノ輻射、0.3PF・yr 合体による高エネルギー現象解明 ブラックホール降着流 輻射磁気流体 ブラックホール候補天体の時間変動と 0.5PF・yr (3D+輻射） ジェット形成機構を解明する 太陽活動 磁気流体 0.5PF・yr 太陽ダイナモの解明 END
© Copyright 2024 ExpyDoc
