教員・研究室紹介

コンピュータ上の宇宙が語る、137億年の歴史絵巻

計算天体物理学研究室

*この研究室は他研究室と連携して運営されています

ビッグバンに始まるこの宇宙は、はじめ星や銀河が存在しない“暗黒時代”でした。それから数億年後、宇宙に最初の星々であるファーストスターが誕生し、星や銀河の時代が到来しました。ファーストスターはその後の宇宙進化の起点となることから、ヒト・地球・天の川銀河など、我々全ての共通祖先と捉えることができる天体です。

私たちはスーパーコンピュータ上に再現した宇宙を「実験する」ことで、ファーストスターがどのように誕生し、またその後の宇宙進化に影響を及ぼすのか調べています。また、ファーストスターを調べる事で、「超大質量ブラックホール・連星ブラックホールの起源」「暗黒物質の正体」などの関連課題にも挑戦しています。

図:シミュレーションは日本各地のスパコンで行いますが、作った宇宙や星のデータはデスク脇に集めて解析します

研究キーワード

ファーストスター
宇宙の大規模構造
ブラックホール
暗黒物質

研究分野

シミュレーション天文学
宇宙物理学
最遠方宇宙観測

研究紹介

(1) ファーストスターの統計調査
ファーストスターの典型的な特徴を明らかにするため、宇宙のある領域における全ファーストスターの形成過程をシミュレーションしました。その結果、星の基本的なパラメータである重さ(星質量)には3桁ものばらつきがあることを明らかにしました。これは、ファーストスターが超新星爆発やブラックホールといった様々な最期をむかえ、後の宇宙進化に影響を及ぼすことを意味します。

(2) 超大質量ブラックホールの起源
ビッグバンから38万年後の宇宙に吹き荒れる風が強い「宇宙の暴風域」において、モンスターブラックホールが誕生するという、新たな起源を発見しました。

(3) 暗黒物質モデルの制限
ファーストスターの形成過程は、暗黒物質の物理的性質に強く左右されます。現実的なファーストスター形成を条件とすることで、暗黒物質モデルの制限を行っています。

図1: 宇宙論的シミュレーションを行い再現した、宇宙最初の星(ファーストスター)誕生の瞬間

発表論文

  1. S. Hirano, M. N. Machida, “Exponentially Amplified Magnetic Field Eliminates Disk Fragmentation around Population III Protostars”, The Astrophysical Journal Letters, 935, L5 (2022).
  2. S. Hirano, T. Hosokawa, N. Yoshida, R. Kuiper, “Supersonic gas streams enhance the formation of massive black holes in the early universe”, Science, 357, 1375 (2017).
  3. S. Hirano, T. Hosokawa, N. Yoshida, H. Umeda, K. Omukai, G. Chiaki, H. W. Yorke, “One hundred first stars: Protostellar evolution and the final masses”, The Astrophysical Journal, 781, 60 (2014).