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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
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
137億年
（現在）
⑨
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
原始星
活動銀河中心 ASTRO-G ジェット
星間ガス雲
銀河
太陽
ASTRO-H 2013
大質量星
SUZAKU 2005∼ ガンマ線バースト 超新星爆発
LIGO
VIRGO
LCGT
MAXI 2009
Fermi 2008∼ 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
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？
想像図
光学撮影
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
• 
• 
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• 
• 
• 
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
3次元
計算領域を格子に
分割して差分化
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,ν,θ,φ) 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 (γ ~ 106-7)
–  電波銀河のジェット (γ ~ 10)
–  ガンマ線バースト (γ > 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
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