High Energy Astrophysics Group

ICRR, the University of Tokyo

高エネルギー天体とは High-Energy Astrophysical Objects

具体的な高エネルギー天体現象の現場として、超新星爆発、パルサー、マグネター(超強磁場中性子星)の巨大フレア、銀河中心ブラックホールから噴き出すジェット、星形成銀河、ガンマ線バースト、銀河団などを挙げることができます。

我々の研究テーマは、これらのさまざまな天体における物理機構、具体的にはジェット形成、相対論的粒子の加速、それらの粒子を起源とする光子(電波~X・ガンマ線)やニュートリノの放射などです。その他にも、中性子星やブラックホールからなる連星の合体現象を解明すべく、一般相対論の効果を取り入れた数値流体シミュレーションをベースとした研究も行っています。

電磁波、宇宙線、ニュートリノ、そして重力波による観測を綜合した天文学(=マルチメッセンジャー天文学)は今後さらなる発展が期待されます。このような時代においては、こうした様々な観点から観測データの解釈や新しい天体現象を予言することも重要な理論的研究テーマとなっています。

粒子加速 Particle Acceleration

相対性理論に基づき、粒子のエネルギーは$E=\gamma mc^2$のようにローレンツ因子$\gamma \equiv 1/\sqrt{1-(v/c)^2}$を使って表されます。粒子の速度がほぼ光速に達すると、$\gamma \gg 1$となり、相対論的粒子と呼ぶことができます。相対論的電子はシンクロトロン放射や逆コンプトン散乱で電磁波を放ち、相対論的陽子や原子核からなる宇宙線も、他の粒子との衝突によってガンマ線や高エネルギーニュートリノを放つことができます。超新星が爆発した後に星間空間を伝播する衝撃波(左図)は、こうした相対論的粒子を加速する現場だと考えられていて、実際に電子や陽子からの電波からガンマ線に至る放射が確認されています。ただし、そこで達成されている最高エネルギーは、銀河系内で加速されている宇宙線の最高エネルギー$3 \times 10^{15}$eVよりも低く、宇宙線の起源は未だ解明されていません。また、南極で観測を続けているIceCube観測所では$10^{15}$eVを超えるニュートリノを検出しており、これらは遠方銀河のどこかで生まれた$10^{17}$eVを超える高エネルギー陽子から生成されていると考えられています。さらにTAやAUGER実験などによって$10^{20}$eVを越える最高エネルギー宇宙線も観測されており、これらの加速現場や加速機構はわかっていません。

相対論的アウトフロー Relativistic Outflow

遠方銀河の中心にある巨大ブラックホールから、$\gamma=10$を超える速度を持つ細く絞られたプラズマ流であるジェットが噴出しているのが、多数確認されています。巨星がその一生を終え、中心核がブラックホールに崩壊した際にも、$\gamma>100$のジェットが噴出し、そこから激しく変動するガンマ線を放つのが、宇宙最大の爆発現象ガンマ線バーストだと考えられています。こうした相対論的ジェットの生成、加速機構はわかっていません。ガスがブラックホールに落ちる際に解放する重力エネルギーか、ブラックホールの自転エネルギーがエネルギー源の候補です。ジェットの加速には磁場が主力となるモデルと、輻射圧が主力になるモデルがあります。

右図は、高速で自転する中性子星であるパルサーから、電子・陽電子プラズマが$\gamma>10^5$で噴き出している様子をX線で観測したイメージです。自転エネルギーを磁場を介して解放しているのですが、このパルサー風の加速機構も未解明です。こうした相対論的なアウトフローを伴う天体からは、激しく変動する放射が度々確認され、高エネルギー粒子が加速されていることがうかがえます。

中性子星連星合体 Neutron Star Binary Mergers

アインシュタインによって提唱された一般相対論では、重力の正体は時空の歪みであると考えられており、時空の歪みが波として伝搬する現象(=重力波)が存在すると予言されていました。重力波は、中性子星やブラックホールからなる連星のように、 質量が大きく密度が高い物体が加速度運動する系から効率的に放出されます。こうした連星は重力波によって次第に軌道エネルギーを失い、やがて合体すると考えられており、その重力波の直接検出は長年の課題でした。そしてついに、2015年9月14日のアメリカのAdvanced LIGOによる検出を皮切りに、数多くの重力波イベントが観測されはじめました。

特に中性子星を含むような連星の合体は、重要な重力波源であるとともに数々の高エネルギー天体現象の源として注目されています。例えば宇宙最大の爆発現象のひとつであるガンマ線バーストの一部は、中性子星を含む連星合体の後に形成されるブラックホール降着円盤が駆動源となっているのではないかという議論が盛んに行われています。中性子星連星合体の現場は密度が$10^{14}$g/cc、温度が$10^{12}$Kという極限の世界です。連星合体の重力波や電磁波、ニュートリノの同時観測からはこうした極限の物理に迫ることができるのです。

2017年8月17日には2つの中性子星からなる連星合体の際に放出された重力波が観測され、電波からガンマ線まで幅広い波長域の電磁波現象が同時に観測され大きな話題となりました。今後もこうしたイベントは数多く観測されると期待されており、我々のグループでは、こうした重力波と突発的高エネルギー天体現象の観測から極限の物理に迫るべく、日々研究を進めています。

重力波天文学 Gravitational-Wave Astronomy

我々はついに重力波という新たな観測手段を手に入れました。これにより、ブラックホールに代表される、光では今まで観測できていなかった天体も観測ができるようになりました。今後、KAGRA、LIGO、VIRGOといった地上重力波観測装置により、ブラックホール連星をはじめとした連星合体の重力波観測が増えていくことが期待されます。今、我々は重力波天文学の黎明期にいるのです。

ブラックホールや中性子星のもととなる大質量星は数が少なく、その進化の過程や、星が崩壊する際の超新星爆発についても謎が多く残されています。さらに重力波によって連星が合体するのには非常に長い時間がかかるため、宇宙初期に形成されたブラックホール連星が最近になって合体し、現在稼働している重力波検出器で観測されることもあるでしょう。重力波によってどのようなブラックホールや中性子星が宇宙に存在するかがわかれば、宇宙初期から現在までの大質量星形成の歴史に迫れるかもしれません。実際に重力波で観測された太陽の約30倍の重さのブラックホールは、宇宙最初期の星である初代星起源ではないかと注目を集めています。

また、現在までに報告されている近傍のブラックホールや中性子星からなる連星の観測以外にも、より遠方での連星合体や、白色矮星連星の合体などを観測する将来計画もあり、重力波を用いた新たな天文学が行えると期待されています。こうした将来計画で、何が見えて何がわかるのかを予測するような研究も我々のグループでは行っています。

論文リスト Our Papers

最近の論文:

Wakana Iwakami, Hirotada Okawa, Hiroki Nagakura, Akira Harada, Shun Furusawa, Kosuke Sumiyoshi, Hideo Matsufuru, and Shoichi Yamada
"Simulations of the Early Post-Bounce Phase of Core-Collapse Supernovae in Three-Dimensional Space with Full Boltzmann Neutrino Transport", arXiv:2004.02091

Akira Harada, Hiroki Nagakura, Wakana Iwakami, Hirotada Okawa, Shun Furusawa, Kohsuke Sumiyoshi, Hideo Matsufuru, and Shoichi Yamada
"The Boltzmann-Radiation-Hydrodynamics Simulations of the Core-Collapse Supernova with the Different Equations of State: the Role of Nuclear Composition and the Behavior of Neutrinos", arXiv:2003.08630

Kyohei Kawaguchi, Masaru Shibata, and Masaomi Tanaka
"Constraint on the Ejecta Mass for a Black Hole–Neutron Star Merger Event Candidate S190814bv", arXiv:2002.01662

Makoto Arimoto, Katsuaki Asano, Yutaro Tachibana, and Magnus Axelsson
"Physical Origin of GeV Emission in the Early Phase of GRB 170405A: Clues from Emission Onsets with Multiwavelength Observations", ApJ 891, 106(11pp) (2020)

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High-Energy Astrophysical Objects

Examples of high-energy astrophysical phenomena are supernovae, pulsars, giant flares from magnetars, jets launched from supermassive black holes in the center of galaxies, starburst galaxies, gamma-ray bursts, and non-thermal emission from clusters of galaxies. Our research subjects are physical mechanisms for jet formation, acceleration of relativistic particles, photon (radio, optical, X and gamma-ray) and neutrino emissions from such particles and so on. Moreover, we study merger of binary stars composed of neutron stars and/or black holes based on hydrodynamical simulations with general-relativistic effects. Multi-messenger astronomy –astronomy via collaborating observations of electromagnetic waves, cosmic rays, neutrinos, and gravitational waves– will be drastically developed in this century. Therefore, interpretation of observed data and prediction of new astrophysical phenomena from various perspectives are also important themes in our study.

Particle Acceleration

The theory of relativity tells us that the energy of a particle is expressed as $E=\gamma mc^2$, where the Lorentz factor is defined as $\gamma \equiv 1/\sqrt{1-(v/c)^2}$. If the velocity of a particle is close to the speed of light, the Lorentz factor becomes $\gamma \gg 1$ and such particles are called relativistic particles. Relativistic electrons can emit electromagnetic waves via synhcrotron or inverse Compton scattering. Cosmic rays, which are relativistic protons or nuclei, can also emit gamma-rays or high-energy neutrinos via collision with another particle or photon. The shock waves propagating interstellar medium after supernovae are sites where such relativistic particles are accelerated. As the left figure shows, emissions from radio to gamma-ray by electrons or protons have been observed. However, the maximum particle energy in supernova remnants is lower than $3 \times 10^{15}$eV, the maximum energy of galactic cosmic rays. The origin of cosmic rays is not fully revealed yet.

The IceCube Neutrino Observatory in Antarctica detected neutrinos whose energy is above $10^{15}$eV. Those neutrinos may be emitted from protons of $>10^{17}$eV, produced in other galaxies. Furthermore, Telescope Array and Pierre Auger Observatory detected ultra high-energy cosmic rays, whose energy is larger than $10^{20}$eV. The acceleration site and mechanism for such particles are also open problems.

Relativistic Outflow

Some of supermassive black holes in galactic neclei launch collimated relativistic jets with $\gamma>10$. When a giant star ends its life and its core collapses into a black hole, relativistic jets with $\gamma>100$ are considered to be ejected and emit gamma-ray flash, which is called gamma-ray burst. The jet launching and acceleration mechanisms are not revealed yet. The gravitational energy released when gas falls onto a black hole or spin energy of a black hole are candidates of the energy source of relativistic jets. Jets may be magnetically driven, or alternatively radiation pressure may play a role in the acceleration.

The right figure shows an X-ray image of electron–positron plasma outflowing with $\gamma>10^5$ from a pulsar, fast rotating neutron star. The outflow energy is injected from the spin energy of the pulsar via magnetic field. The acceleration mechanism of the pulsar wind is an unsolved problem. From objects with relativistic outflows violently variable emissions have been frequently observed, which implies that high-energy particles are accelerated there.

Neutron Star Binary Mergers

In the framework of general relativity, gravitation is phenomenological consequence of geometrical property in space and time, and the existence of gravitational waves –ripples of space-time curvature propagating with the speed of light– has been theoretically predicted. Gravitational waves are efficiently emitted from a system which contains massive and compact objects in accelerated motion, such as a binary system composed of neutron stars and/or black holes. In such a binary system, the orbital separation shrinks gradually via the gravitational-radiation reaction, and eventually the two objects merge. A direct detection of gravitational waves had been a difficult and challenging issue for a long time. But now, many detections of gravitational-wave events have been reported after advanced-LIGO –a ground-based detector in USA– achieved the first detection on 14th of September 2015.

Binary mergers including a neutron star are in particular of interest, since they also cause high-energy astrophysical phenomena in electromagnetic waves. For example, a black-hole accretion disk formed after the merger may be a central engine of gamma-ray burst. Extreme environment, for example density of $\sim 10^{14}$g/cc and temperature of $\sim 10^{12}$K, is realized in a neutron star binary merger. The observation of binary mergers via gravitational waves, electromagnetic waves, and neutrinos enable us to study physics in such an extreme environment.

The first neutron star binary merger was detected on 17th of August 2017 with advanced-LIGO, and simultaneous electromagnetic-wave observations were also achieved for this event. More and more events are expected to be observed in near future, and our group is aiming to extract the physical information in the extreme environment from observations of both gravitational waves and high-energy astrophysical phenomena.

Gravitational-Wave Astronomy

Now we have opened a new window to observe stars by gravitational-wave observatories. This makes it possible to observe "invisible" objects such as black holes. In the near future, current ground-based gravitational-wave observatories such as KAGRA, LIGO, and VIRGO would drastically increase the detection number of binary black holes and other types of binary mergers. We are now at the dawn of gravitational-wave astronomy.

Massive stars, which are progenitors of black holes and neutron stars, are relatively rare objects in the universe. There remain many mysteries in the massive star evolution and the supernova explosions triggered by the core-collapse, in which a black hole or a neutron star is formed. Furthermore, it takes a very long time for binary stars to coalesce via gravitational-wave emission, so that present-day instruments can detect even the binary mergers originated from massive stars formed in the early universe. Gravitational-astronomy will tell us the formation history of massive stars from the early universe to the present time. We already have observed a merger of black holes, which are about 30 times heavier than the Sun. This event is remarkable because they were probably born as the first stars in the very early universe.

In addition to the nearby binary mergers discovered by the current instruments, gravitational-wave astronomy is expected to open up new fields in astronomy, such as more distant binary mergers and white dwarf binary mergers. We also study to predict what we can see and what we can learn from future observations with new technic optimized for such targets.

Our Papers

Recent papers:

Wakana Iwakami, Hirotada Okawa, Hiroki Nagakura, Akira Harada, Shun Furusawa, Kosuke Sumiyoshi, Hideo Matsufuru, and Shoichi Yamada
"Simulations of the Early Post-Bounce Phase of Core-Collapse Supernovae in Three-Dimensional Space with Full Boltzmann Neutrino Transport", arXiv:2004.02091

Akira Harada, Hiroki Nagakura, Wakana Iwakami, Hirotada Okawa, Shun Furusawa, Kohsuke Sumiyoshi, Hideo Matsufuru, and Shoichi Yamada
"The Boltzmann-Radiation-Hydrodynamics Simulations of the Core-Collapse Supernova with the Different Equations of State: the Role of Nuclear Composition and the Behavior of Neutrinos", arXiv:2003.08630

Kyohei Kawaguchi, Masaru Shibata, and Masaomi Tanaka
"Constraint on the Ejecta Mass for a Black Hole–Neutron Star Merger Event Candidate S190814bv", arXiv:2002.01662

Makoto Arimoto, Katsuaki Asano, Yutaro Tachibana, and Magnus Axelsson
"Physical Origin of GeV Emission in the Early Phase of GRB 170405A: Clues from Emission Onsets with Multiwavelength Observations", ApJ 891, 106(11pp) (2020)

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