中性子星合体からの光を分析する世界最高精度の原子データの構築

核融合科学と天文学の学際的・国際的協力で重元素の期限を紐解く

2019-02-21　自然科学研究機構,核融合科学研究所,国立天文台

プレスリリース内容

核融合科学研究所の加藤太治准教授、ビリニュス大学（リトアニア）のガイガラス・ゲディミナス教授、東北大学の田中雅臣准教授らは、宇宙の彼方で起こった中性子星^※１同士の衝突と大爆発に由来する光の分析を可能とするデータを、世界最高の精度で求めることに成功しました。この光の分析は、天文学上で長年の謎だった、私たちの宇宙に存在する金やプラチナなどの貴金属の起源を解明する重要な手がかりとなります。本成果は、核融合研究で用いてきた、原子構造に由来する光の放射や吸収などを計算するためのプログラムを、日本とリトアニアの国際協力によって拡張及び最適化し、大規模計算を行って得られたものです。この最高精度のデータを用いることで、この宇宙に存在する貴金属の量や種類を明らかにする研究が、大いに加速すると期待されます。

この研究成果をまとめた論文が2月1日（日本時間2月2日）に、米国の科学雑誌「アストロ・フィジカル・ジャーナル・サプリメント・シリーズ」のオンライン版に掲載されました。

研究の背景

宇宙において鉄より重い元素がどこでどのように作られたのかは、良く分かっていません。この重元素の起源の一つとして注目されているのが、中性子星の合体です。2017年8月、2つの中性子星が1億3千万年前に合体したことにより発生した重力波を観測したというニュースは、記憶に新しいと思います（ちなみに同年には、人類史上初めて重力波の検出に貢献したアメリカの研究者らがノーベル物理学賞も受賞しています）。さて、この中性子星合体を観測した際、重力波だけでなく、キロノバ^※2と呼ばれる爆発に伴う電磁波（光）の放射も観測されました。キロノバの光は、中性子星の合体と爆発によって放出された物質からのもので、その物質は金やプラチナなどの貴金属、ネオジムなどのレアアースといった重元素を多量に含むと考えられています。
物質を構成する元素は、光を吸収するという性質を持っています。元素が吸収する光の波長やその吸収の度合い等はそれぞれの元素に固有で、それらを原子過程データ^※3と呼びます。この原子過程データ等を用いて、キロノバについて、どの波長の光がどの程度弱くなっているかを解析することで、中性子星合体で生成された重元素の種類と量を推定できます。ところが、重元素の原子過程データは、世界基準で広く使われているものが極めて少ないという問題があります。そこで、キロノバの光の解析に向けて、天文分野と核融合分野の共同研究が開始されました。
核融合研究では、高温のプラズマ中に混入する微量な不純物（鉄などのイオン）の量や動きを分析するために、原子過程データが必要です。核融合科学研究所では、リトアニアとの国際共同研究によって、高精度な原子過程データを、計算を使って構築する研究を進めています。これまで核融合研究が対象としてきた元素の種類は、キロノバの解析研究が対象としているものとは異なりますが、計算手法は応用が可能です。このため、核融合科学研究所の協力に、天文分野から大きな期待が寄せられています。

図１　中性子星合体によって放出された物質の中で生成された重元素が電磁波を吸収し、さらに再び放射している様子。中性子星合体で生じるキロノバ放射には、様々な重元素による電磁波の吸収と放射が入り混じっている。（画像提供：国立天文台）

研究の成果

加藤准教授らのグループは、キロノバの光吸収に最も大きな影響を与えるネオジム^※4に注目しました。キロノバ解析に重要なのは、重元素から数個の電子が剥がれたイオンが吸収する多くの波長の光に関する原子過程データです。これらのうちごく一部は、実験によって評価され、世界基準として米国立標準技術研究所（NIST）^※5のデータベースに収録されています。しかし、収録されているデータは限られているため、計算を用いて原子過程データを求めることが行われています。その計算は多くの波長に適用できるとともに、NISTのデータを高精度で再現できるものでなければなりません。
元素に含まれる電子の数が多くなればなるほど、原子過程データの計算の規模は急激に大きくなるので、計算が困難になります。ネオジムは鉄など比較的軽い元素に比べて多くの電子を含んでいます。そのため、ネオジムの原子過程データを求めるのに、従来の核融合研究で用いてきた軽い元素用の計算コード（プログラム）を適用しても、計算にとてつもない時間がかかってしまい、スーパーコンピュータを使っても現実的な時間内で結果を得ることはできません。

多数の電子を含む原子の原子過程データを求める計算が大規模になってしまう原因は、多くの電子が互いに影響を及ぼしあっていることです。そのため、この相互作用の計算は、想定される電子の配置からいくつかを選んで組み合わせるという方法を用いて行われます。加藤准教授らは、どの配置をどのように組み合わせれば現実的な時間で高精度な計算ができるのかについて試行錯誤を重ね、その結果、最適な電子の配置の組み合わせを見つけ出すことに成功しました。それにより、原子過程データを比較的短期間で求められる計算コードができました。

図２　電子の相互作用の計算のイメージ図

このように拡張と最適化を行った計算コードを用い、国際共同研究によって、核融合科学研究所の計算機とリトアニアのビリニュス大学の計算機を使って、大規模計算を実施した結果、ネオジムが吸収する約300万通りの波長の光に関する原子過程データを求めることができました。このデータと、NISTの世界基準のデータとを比較してみると、誤差が10％程度と、これまで加藤准教授らのグループが用いていた電子配置の組み合わせによる計算結果の精度を大幅に更新する、世界最高精度を達成することができました。この最高精度のデータと、以前の精度の良くないデータとを両方用い、国立天文台の計算機でキロノバの光のシミュレーションを行い、精度の違いが光の明るさに及ぼす影響を世界で初めて定量的に評価し、明るさの違いが20％ぐらいであることを明らかにしました。

図３　ネオジムの原子過程データの以前の計算結果（上）と今回の計算結果（下）の比較。
原子核の周りの電子が取り得るエネルギーの値は、離散的（とびとびの値）であり、それらをエネルギー準位といいます。元素が吸収する光の波長は、このエネルギー準位から計算します。ここでは、キロノバの解析にもっとも重要な寄与をもつ1価イオン（原子から１個の電子が剥がれた状態）のエネルギー準位について、計算結果とNISTの実験データを比較して、誤差を調べました。今回の計算は、誤差の割合0％の中心付近に、全てのデータが集まっていて、以前の計算に比べて大幅に精度が向上しています。

成果の意義

中性子星合体によって重元素がどのくらい生み出されているのかを明らかにするためには、キロノバの光の分析と、中性子星合体によって重元素が合成される過程※6のシミュレーション結果とを一致させていく必要があります。これまでは、キロノバの光の分析において、原子過程データの精度に起因する不確かさがどの程度あるのかが分かっていませんでしたが、今回の研究により、その不確かさが20％程度であることが初めて分かりました。これは、最大で100％程度の不確かさがあると言われている、重元素合成のシミュレーションに比べても十分に低い値です。
このように、本研究によって、私たちの宇宙に存在する金やプラチナなど、いわゆる貴金属と呼ばれる物質の起源解明に、一歩近づくことができました。今後、その解明に向けた研究が、最高精度の原子過程データを用いることで、大きく加速すると期待されます。

以上の点が高く評価され、本成果は、著名な科学雑誌である「アストロ・フィジカル・ジャーナル・サプリメント・シリーズ」に掲載されました。また、核融合分野と天文分野の学際的領域で、日本とリトアニアの研究者の国際協力が結実した成果であり、核融合科学研究所の研究活動が学際的・国際的にも高い水準であることを示しています。

【用語解説】

※1　中性子星

質量は太陽ほどもあるが、直径は20kmほどしかない、主に中性子によって構成された天体。大質量の星が寿命を終えるときに超新星爆発を起こし、中心核が圧縮された結果形成される。

※2　キロノバ

中性子星やブラックホールなど、高密度な天体同士が衝突・融合したときに発生する大規模な爆発現象のこと。周囲に様々な物質を放出するが、これらの物質を構成する元素は飛び交う中性子を取り込み、不安定な状態になる。不安定な元素が崩壊（放射性壊変）することでエネルギーが供給され、物質から電磁波（光）が放射される。

※3　原子過程データ

原子核の周りの電子が取り得るエネルギーの値（エネルギー準位）、原子が放射・吸収できる電磁波の波長や放射・吸収の確率、プラズマ中の衝突頻度など、それぞれの元素に固有のデータのこと。核融合科学研究所では、プラズマ中の原子・分子の衝突頻度に関する数値データベースを公開(http://dbshino.nifs.ac.jp/)しており、世界中の研究者らに利用されている。

※4　ネオジム

原子番号60番、ランタノイドに属する元素。私たちの生活に欠かせないレアアースと呼ばれる希少な金属の１種で、永久磁石の原料などに用いられる。ネオジムによる赤外線領域の波長の光の吸収が、キロノバの光の明るさに最も強い影響を与えている。

※5　米国立標準技術研究所（NIST）

National Institute of Standards and Technology。アメリカ合衆国の国立の計量標準研究所。特定の性質や組成が保証された標準物質を産業界や学界に提供するほか、原子過程データなど様々な物質データのデータベースを一般に公開している。

※６　重元素が合成される過程

鉄より重い元素を作るには、一旦、中性子を取り込んで、その後、電子を放出して陽子の数を増やす必要がある。電子を放出するよりも速く中性子が大量に取り込まれることで、金やプラチナ、ネオジムを含むランタノイド元素などが合成される。この合成過程は、大量の中性子を必要とするため、中性子星の合体が、金やプラチナなどの起源の候補と考えられている。

論文情報

雑誌名：The Astrophysical Journal Supplement Series
題名：Extended Calculations of Energy Levels and Transition Rates of Nd II-IV Ions for Application to Neutron Star Mergers
（中性子星合体に用いられるNd II-IVイオンのエネルギー準位と遷移レートの拡張計算）
著者名：ゲディミナス・ガイガラス1, 加藤太治2,3, パベル・リンクン1, ライマ・ラジウテ1, 田中雅臣4

ビリニュス大学理論物理学・天文学研究所
自然科学研究機構核融合科学研究所
九州大学総合理工学府先端エネルギー理工学専攻
東北大学天文学教室

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本研究は、自然科学研究機構の「ネットワーク型研究加速事業（No.01411702）」、「若手研究者による分野間連携研究プロジェクト」の２つの事業の支援のもとで行われました。また、日本学術振興会の二国間交流事業と科学研究費助成事業（15H02075、16H02183）、文部科学省の科学研究費助成事業（17H06363）、井上科学振興財団、the Research Council of Lithuania (No. S-LJB-18-1)による助成を受けています。

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