Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

大質量星 / ジェット / 数値シミュレーション / 重力崩壊 / マグネター / 相対論的ジェット / Rayleigh-Taylor不安定性 / 磁気流体ジェット

本研究の目的は、数値シミュレーションを用いて大質量星の重力崩壊時に出現するジェットのダイナミクスを明らかにすることである。本研究では大質量星の重力崩壊とジェット伝搬を切り分け個々の現象を精度良く求めた。その結果、重力崩壊にともなう磁束の保存によりマグネタークラスの磁場が形成される場合にはジェットが駆動されることがわかった。一方、ジェット伝搬においては、磁場を含まないジェットは振動にともなう慣性力を起源とする流体不安定性の成長の影響でジェット形状が崩れジェット外媒質との混合が生じジェットの流体速度が減速することがわかった。

相対論的ジェットのダイナミクスは、大質量星の重力崩壊時に出現するジェットだけではなく、銀河中心にある巨大ブラックホール近傍から駆動される活動銀河核ジェットにも共通する物理である。特にジェット伝搬中の安定性の議論は、スケールの違いはあるがそのまま応用可能である。本研究課題で明らかにしたジェット振動にともなう慣性力を起源とする流体不安定性の成長によるジェット形状の変化は、活動銀河核ジェットの電波観測による形態の分類の物理的起源に迫る手がかりとなる可能性を秘めている。

相対論的ジェット / Rayleigh-Taylor不安定性 / 線形解析 / 数値シミュレーション / 宇宙物理 / 理論天文学 / 流体

宇宙最大の爆発現象であるガンマ線バーストの正体は、光速の99.995%以上もの速さで運動する超相対論的ジェットだと考えられている。しかし、ガンマ線バーストジェットの力学進化が十分にわかっていないために、ジェットからの放射機構の全容解明には至っていない。特に即時放射期における時間変動性の起源は解明すべき謎の1つである。
即時放射の時間変動性の起源としては、相対論的ジェットが駆動される際の中心エンジンの時間変動性に由来するものと、相対論的ジェットが伝搬する際に周囲の媒質との相互作用による流体不安定性の成長に由来するものが考えられている。そこで本研究では、これまで考えらえてこなかったジェット伝搬中にジェット境界で成長するRayleigh-Taylor不安定性の基本的な理論を構築した。
ジェットは伝搬する際、周囲の媒質との圧力差によりジェット伝搬軸に対し垂直な動径方向に振動する。振動の復元力である圧力勾配力がRayleigh-Taylor不安定性のドライビングフォースとなる。この圧力勾配力と流体媒質の慣性力がつり合う擬似的な加速度を導入しジェット境界の安定性の線形解析を行うことで、Rayleigh-Taylor不安定性の波数と振動数に関する分散関係式を導き、不安定性が成長する条件、及び解析的な成長率を明らかにした。また、ジェット境界で成長するRayleigh-Taylor不安定性の数値シミュレーションを行い、解析的に得られる成長率とシミュレーション結果から得られる成長率が一致することを確認した。
このジェット伝搬中の周囲媒質との圧力差に起因したRayleigh-Taylor不安定性の成長は相対論的ジェットの基本的な性質であるため、ガンマ線バーストジェットだけでなく活動銀河核ジェットの安定性にも影響を与える可能性がある。

ガンマ線バースト / ブラックホール / 輻射輸送 / 超新星 / 相対論的ジェット / ニュートリノ / 状態方程式 / アインシュタイン方程式 / 数値シミュレーション

我々は3次元相対論的磁気流体計算コードを開発しました。これを用いて大質量星中を突き抜ける相対論的ジェット伝搬シミュレーションの計算を行いました。この結果を用いてガンマ線伝搬過程パートの計算を行いました。その結果近年日本のIKAROS衛星が捉えたガンマ線バーストの偏光について理論的考察を行いました。また観測と整合するガンマ線バーストの非熱スペクトルを示しました。また結果は未公表ながら（2017年度、発表予定）、ガンマ線バーストの観測を良く説明する、大変画期的な結果を得ることが出来ました。これによって我々はフォトスフェリックモデルが正しいモデルであると実証したと確信しています。

【研究分担者】
水田晃	国立研究開発法人理化学研究所	戎崎計算宇宙物理研究室	研究員	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
伊藤裕貴	国立研究開発法人理化学研究所	長瀧天体ビッグバン研究室	特別研究員	(Kakenデータベース)
松本仁	国立研究開発法人理化学研究所	長瀧天体ビッグバン研究室	基礎科学特別研究員	(Kakenデータベース)