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

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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？

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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

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※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