松元亮治 千葉大学大学院理学研究科

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

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

「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」

軽元素合成 （水素,ヘリウム ,... ）

密度ゆらぎ

　元素合成 （酸素, 炭素, 窒素, 金属元素, ...）

初代超新星／GRB

銀河団

宇宙最初の 重元素合成

（酸素, 炭素, 窒素... ）

38万年

137億年 （現在）

10-44秒

宇宙時間

星の金属組成 （金属欠乏星）

超新星／GRB

第一世代天体 宇宙

暗黒時代

初代銀河

原始銀河

小ブラックホール

巨大ブラックホール

4億年 宇宙再電離

惑星系

共進化

宇宙中性化

インフレーション ダークマター生成

QCD相転移 陽子，中性子形成 10-4秒

地球・太陽

⑥

⑦

⑥

⑧

⑧ ⑨

⑨

星形成 ⑦

天体の起源 物質の起源

宇宙の活動性

ASTRO-G

ASTRO-H 2013

MAXI 2009

SUZAKU 2005～

活動銀河中心

Fermi 2008～ Swift 2004～

星形成

星間ガス雲

原始星

HINODE　2006～

太陽

大質量星

銀河

ガンマ線バースト

ジェット

超新星爆発

重力波望遠鏡　2015～

LIGO VIRGO LCGT

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

課題６

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

鉄

重い恒星は 進化の最後に たまねぎ構造 中心は鉄。

鉄核は 重力崩壊 を起こす

NS

やがて中心に 中性子星が誕生

中性子星付近で 衝撃波が発生。

最初は広がる。 しかし途中で停滞。 エンジンは何だ？

? ?

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

ブラックホール降着円盤とジェット 

M87

VLA+ HALCA

VLBA 43GHz

Walker et al. 2007

活動銀河中心核（AGN) ジェット

電波銀河Ｍ８７中心核から噴出するジェット　

ブラックホール近傍 300rs=0.078pc

課題９　宇宙磁気流体・プラズマ現象の基礎過程の解明

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

画像提供：加藤成晃氏 円筒座標系3次元250×64×384格子点

明るい円盤では輻射と物質の相互作用が重要 

高温、ガス圧優勢 光学的に薄い

冷却

磁気圧優勢

光学的に厚い円盤 jet

降着率 小さい

大きい

　降着

これまで行われてきたシミュレーション

輻射圧優勢

ハードステート

ソフトステートへの状態遷移。

輻射と物質の　相互作用を含めた計算が必要

L ~ 0.1LEdd

暗い

明るい

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

磁気流体

Ｂ

磁気流体

輻射流体 輻射磁気流体

N6×Nstep + Ｉ (t,x,y,z,ν,θ,φ) 

演算量∝N3×Nstep

ρ(t,x,y,z), v(t,x,y,z), P(t,x,y,z)

+B(t,x,y,z)

Ｉ 輻射輸送方程式を解く

計算領域を格子に分割して差分化

輻射流束制限拡散（ＦＬＤ）近似

総計算量：　0.5PF・年

相対論的プラズマ粒子シミュレーション

ガンマ線バースト

•  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)

超新星

宇宙から降り注ぐ粒子（宇宙線）

10TeV

LHC

AGN

パルサー

星野らが担当

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）

光 （輻射輸送計算）

プラズマ粒子 （PIC,ブラソフ）

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

６次元輻射磁気流体力学 ６次元ブラソフ方程式

相対論的ジェット

多波長スペクトル の直接計算

非熱的粒子生成と 非熱的放射の計算

降着円盤

計算量：0.5PF・year

廣瀬、松元ら 草野ら

太陽ダイナモシミュレーション

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

黒点数

草野、柴田一成、横山らが担当

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）

　現在の1000倍の分解能（太陽質量 程度)で分布を明らかにする

初代星形成・銀河形成 　　初代星形成、電離宇宙での 　　銀河形成過程を明らかにする　　　　　　　　　　　 天の川銀河の形成と進化 　　星形成領域が分解できる質量 　　分解能を達成　　 超新星爆発 　ニュートリノ輸送、現実的な状態方程式、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 　　中性子星と中性子星/ブラックホールの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 　　ブラックホール候補天体の時間変動とジェット形成機構を解明する 

太陽活動 　　太陽ダイナモの解明 

粒子法 0.5PF・yr

6次元輻射流体 0.5PF・yr

粒子法＋SPH 0.5PF・yr

4―6D輻射流体/3D磁気流体、0.5PF・yr

輻射磁気流体 0.5PF・yr (3D+輻射）

磁気流体 0.5PF・yr

数値相対論+流体+ニュートリノ輻射、0.3PF・yr

END