重力波天体からのマルチメッセンジャー
京都大学理学部 天体核研究室
久徳浩太郎
2023/9/20

1地上重力波検出器ネットワーク
http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/wp-content/themes/lcgt/images/img_abt_lcgt.jpg

KAGRA (日本・神岡)Advanced LIGO
(アメリカ・Hanford/Livingston)
https://www.advancedligo.mit.edu/graphics/summary01.jpg

Advanced Virgo(ヨーロッパ・イタリアPisa)
http://virgopisa.df.unipi.it/sites/virgopisa.df.unipi.it.virgopisa/files/banner/virgo.jpg
2023/9/20

2

ブラックホールは重力波で探す時代
恒星質量ブラックホールは日常的に見つかっている
重力波で見つけたブラックホール

重力波で見つけた
中性子星

電磁波で見つけたブラックホール

電磁波で見つけた中性子星
https://media.ligo.northwestern.edu/gallery/masses-in-the-stellar-graveyard-with-error-bars
2023/9/20

3

ブラックホールの質量分布
これはprimaryの分布であることには注意が必要かも

LIGO&Virgo&KAGRA (2023)
2023/9/20

4

ブラックホール・中性子星連星
GW200115（GW200105はsubthresholdイベントに）
LIGO&Virgo&KAGRA (2021)
See also arXiv:2111.03606

2023/9/205連星中性子星合体GW170817
2つの中性子星が合体し、重力波・電磁波が両方検出
https://www.ligo.org/detections/GW170817/images-GW170817/gatech-moviestill2.png

2023/9/206連星中性子星合体に伴う現象
重力波の放射物質のある＝非真空時空での重力理論のテスト
高密度物質への手がかり：状態方程式、QCD相構造…

中性子過剰な物質の放出
r過程元素合成：金、プラチナ、レアアース…
放射性崩壊に伴う増光現象キロノヴァ

高温大質量の降着円盤形成
ショートガンマ線バーストの駆動（＋ロングも？）2023/9/20

7

キロノヴァAT 2017gfoと母銀河母銀河が判明し、赤方偏移やHubble定数が測られた

可視光でのキロノヴァ

Utsumi+ (2017)

この大きな光は母銀河NGC 4993
2023/9/20

8天球上に見る位置決定精度

LIGO-Virgo event

LIGO-Virgo event
2023/9/20

http://www.ligo.org/detections/GW170817/images-GW170817/O1-O2-skymaps-white.jpg
9重力波検出器での位置決定
到来時刻差を用いた天球上の位置の三角測量
複数台が本質的𝑑 cos 𝜃𝑡𝑑 =𝑐𝑑 ∼ 𝑂 1000 km

𝜃
LIGO&Virgo&KAGRA (2020)2023/9/20

𝑑10

9/20の合体警報より

2023/9/20

https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O4/11

GW190425と質量
全質量 𝑚tot = 3.4+0.3−0.1 𝑀⊙ （電磁波は未検出）系内の連星パルサーの5 sigmaより重い…系外は別？

LIGO&Virgo (2020)系内の連星パルサー

連星の全質量2023/9/20

12重力波波形と状態方程式
半径が大きいほど潮汐力が効き、早く合体する
半径の大きい状態方程式
半径の小さい状態方程式

Kiuchi+KK+ (2020)

重力波波形はカタログにしてwebで公開

2023/9/20

13

GW170817からの制限
典型的な中性子星の半径は10.5-13.5kmくらい
イベント数が増えるとより精度良く決まっていく、はず
中性子星の質量-半径関係
状態方程式（圧力-密度）

LIGO&Virgo (2018)2023/9/20

14まだよくわかっていないこと合体した中性子星はブラックホールに崩壊したのか？
ガンマ線バースト

大質量中性子星は合体後10-100msくらいの期間に>kHzの重力波を出すので高振動数に感度があれば…

GW170817では決着つかず
やはりO4よりも将来に期待[ニュートリノ? Kyutoku-Kashiyama 2018]2023/9/20

重力波の振動数で合体が見える

LIGO&Virgo&Fermi&INTEGRAL (2017) 15

重力波とブラックホール形成
合体後の重力波が急に減衰すれば重力崩壊を示唆
天体物理、重力理論、原子核物理…への豊かな情報
強い一次相転移2023/9/20

Fujimoto+KK (2023)

クロスオーバー16

元素合成とブラックホール形成
短寿命でブラックホールに潰れると太陽系組成を再現
Fujibayashi+KK+ (2023)

2023/9/20

17

r過程元素合成
鉄よりも重い重元素は宇宙のどこで作られた？

金プラチナ
From Wikipedia

人類・社会にも重要（かも）2023/9/20

18

様々な天体でのr過程元素組成（色々例外はあるが）少数回のr過程元素合成を反映していそうな星では太陽系組成に近い分布

Cowan+ (2021)ということは宇宙でのr過程元素合成は一つ一つが太陽系組成を概ね再現しているはず
2023/9/20

19

比較：electron fraction
𝑌𝑒 ≔ 陽子数/（核子数＝中性子数＋陽子数）
短寿命だと力学的質量放出によりlow Yeの物質も多い
長寿命では合体後の風が卓越し、Ye>0.25が大半に
短寿命

長寿命
Fujibayashi+KK+ (2020)

Fujibayashi+KK+ (2023)

2023/9/20

20

比較：r過程元素合成
短寿命なら軽いr過程元素を作りすぎず太陽系組成に- ただし粘性が強く放出が早ければ長寿命でもOK
短寿命

Fujibayashi+KK+ (2023)
2023/9/20

長寿命

Fujibayashi+KK+ (2020)21

比較：キロノヴァ
AT 2017gfoは大質量を要求するので長寿命がベター
GW170817が例外的？実効粘性（磁場）は強い？
短寿命
Kawaguchi+ (2023)

2023/9/20

長寿命
By courtesy of K. Kawaguchi22磁気流体計算の結果（短寿命）
降着円盤風は粘性計算よりも中性子過剰かも？
長寿命で組成もうまく説明できる余地はある

Kiuchi+KK+ (2023)

2023/9/20

23

ストロンチウムの吸収線元素を同定するにはスペクトルを分光観測して固有の輝線や吸収線を検出する必要がある

Watson+ (2019)
Sr: Z=38

キロノヴァでは元素が多く混ざって分離が大変だが理論研究の進展により解読が進められている
2023/9/20

電磁波の波長24

さらなる重元素検出の報告
Hotokezaka+ arXiv:2307.00988, Te: Z=52
Domoto+ (2022)
La: Z=57, Ce: Z=58

Sneppen-Watson (2023)
Sr: Z=38, Y: Z=39

2023/9/20

25

GRB 230307Aからのキロノヴァ？
ロングガンマ線バーストからのキロノヴァも複数報告
これは近く、非常に明るいバーストでもあったLevan+ arXiv:2307.02098
2023/9/20

26

テルルの輝線？
ロングガンマ線バーストでもr過程元素が合成される？
連星合体＋ロングガンマ線バーストを重力波で探す

Levan+ arXiv:2307.02098
2023/9/20

27

まとめ• マルチメッセンジャー観測が進むにはLIGOに加えてVirgoやKAGRAが観測に加わることが必要• 重力波で質量がわかるだけでも面白いことはある• GW170817より状態方程式を有意に強く制限したり合体後のブラックホール形成判定はまだ難しそう• r過程元素の理論計算は連星中性子星の合体後に短時間でブラックホールに潰れることを示唆する• しかしキロノヴァを説明するには質量が足りない…
• 色々な方向からの観測で理解が進むかもしれず、そのためにも3台目、4台目の検出器が重要
2023/9/20

28

2023/9/20

29

Appendix
2023/9/2030

質量放出機構
力学的質量放出 (dynamical ejecta)
合体直後に放出され、速く、中性子過剰度が高い

降着円盤風 (disk wind/outflow)
粘性の時間スケールである~1秒くらいかけて徐々に飛び遅く、中性子過剰度も中程度
中性子星が生き残ればより多くの質量が飛びうる
Shibata+KK+ (2017)2023/9/2031

比較：質量放出
短寿命(<20ms)だと ∼ 0.01𝑀⊙ 、 ∼ 0.03𝑀⊙ が限度？
長寿命だと ∼ 0.1𝑀⊙ くらい飛んでもおかしくなさそう
短寿命

長寿命
Fujibayashi+KK+ (2020)
粘性駆動風
ニュートリノ駆動風
粘性駆動風

力学的質量放出
Fujibayashi+KK+ (2023)

2023/9/20

力学的質量放出32

Electron fractionの決まり方
膨張が電子・陽電子捕獲より早くなると上昇が止まる
捕獲時間
膨張時間

Fujibayashi+KK+ (2023)

捕獲反応の平衡Ye

実際のYeはfreezeout
2023/9/20

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ショートガンマ線バースト
連星中性子星合体が引き起こしているのか？
http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~cta/images/GRB.jpg

2023/9/20

34

ショートガンマ線バースト
1051 erg/sくらいの爆発- 太陽は ~4 × 1033 erg/s

ロング・ソフトGRB：≥ 2s
大質量星の崩壊が起源（ただし最近色々議論あり）

ショート・ハードGRB：≤ 2s
中性子星連星の合体が起源
重力波との同時観測で支持
http://www.daviddarling.info/images/gamma-ray_bursts.jpg
2023/9/20

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距離-軌道傾斜角の縮退
VirgoかKAGRAがあれば Δ𝚤 < 5∘ も可能 (Arun+ 2014)(toward)edge-on

LVC+ (2017)see also Mandel (2017)

LVCの推定: 𝚤 < 55∘

母銀河の距離を使えば 𝚤 < 28∘
face-on遠い2023/9/20

距離の逆数に対応

近い36軌道傾斜角測定の将来展望
母銀河から距離がわかれば（3D localizedに対応）重力波単独よりも2-3倍の改善が見込める

Arun+ (2014)
L: LIGO Livingston, H: LIGO Hanford, V: Virgo
K: KAGRA, I: LIGO India BH-NS (NS-NS)@200Mpc

2023/9/20

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