Research / 研究

Search for non-interacting black hole binaries
休眠ブラックホール連星探査

• Astrometric satellite Gaia published Gaia Data Release 3 in 2022. From Gaia Data Release 3, we found a candidate of a binary system with black hole and red-giant star (hereafter, black hole binary). Its astrometric and spectroscopic mass functions have similar values, and the values are about 7 solar mass. Thus, the binary system is likely to be a black hole binary. The candidate has a bianry period of 1300 days. The binary period is 10 times longer than those of black hole binaryes previously discovered.
  位置天文衛星Gaiaが公開したGaia Data Release 3の中からブラックホールと赤色巨星の連星(ブラックホール連星))の候補を発見しました。位置天文観測から得られる質量関数と分光観測から得られる質量関数がほぼ一致し、かつ7太陽質量程度であることから、ブラックホール連星である可能性が高いです。1300日という軌道周期は過去発見されたブラックホール連星の10倍ほどあり、過去最長です。
• The black hole binary candidate on the HR diagram (asterisk). It is on the red-giant branch.
  HR図上のブラックホール連星候補(星印)。赤色巨星分枝に存在する。
  
• Astrometric and spectroscopic mass functions of the black hole binary candidate (asterisk).
  ブラックホール連星候補の位置天文観測から得られる質量関数と分光観測から得られる質量関数(星印)。
  
• Such a black hole binary can be formed through dynamical interactions in open clusters rather than through isolated binary evolution.
  このようなブラックホール連星は、孤立連星でできるのではなく、散開星団内での力学的相互作用で形成されている可能性がある。
  

• References / 参考文献
  • Tanikawa, Cary S., Shikauchi M., Wang L., Fujii M. S. 2023, arXiv:2303.05743
  • Shikauchi M., Tsuna D., Tanikawa, Kawanaka N. 2023, arXiv:2301.07207
  • Tanikawa et al. 2022, arXiv:2209.05632, ApJ in press
  • Shikauchi M., Tanikawa, Kawanaka N. 2022, ApJ, 928, 13
  • Shikauchi M., Kumamoto J., Tanikawa, Fujii M. S. 2020, PASJ, 72, 45

Binary black hole formation through isolated binary evolution
孤立連星からの連星ブラックホール形成

• Recently, many binary black hole mergers have been discovered by gravitational wave observations. Their origin is still an open question. We investigated isolated binary evolution, considering all the stellar metallicities from zero metallicity to the solar metallicity. We showed that isolated binaries can form all the binary black hole mergers observed so far.
  近年、重力波観測によって多くの連星ブラックホールの合体が発見されており、連星ブラックホールの起源が問題となっています。我々は、ゼロ金属量から太陽金属量に渡るすべての金属量を考慮して孤立連星の進化を調べました。その結果、孤立連星がすべての連星ブラックホールを形成できることを示しました。
• Top: Mass distribution of primary black holes. Our prediction (the black curve) is consistent with the observational result (the gray shaded region). Bottom: Mass ratio distribution of binary black holes. Our prediction (the black curve) is consistent with the observational result (the black dashed region).
  連星ブラックホールのうち重い方のブラックホールの質量分布(上)。理論予想(黒線)と観測結果(灰色の領域)が一致しているのがわかる。２つのブラックホールの質量比分布(下)。理論予想(黒線)と観測結果(黒点線)が一致しているのがわかる。
  
• Scenario for the formation of pair instability mass gap event.
  対不安定質量ギャップ領域にある連星ブラックホールの形成シナリオ。
  

• References / 参考文献
  • Tanikawa et al. 2022, PASJ, 74, 512
  • Tanikawa et al. 2022, ApJ, 926, 83
  • Tanikawa et al. 2021, MNRAS, 505, 2170
  • Hijikawa, Tanikawa et al. 2021, MNRAS letters, 505, 69
  • Tanikawa et al. 2021, ApJ, 910, 30
  • Tanikawa et al. 2020, MNRAS, 495, 4170

Binary black hole formation in dense star cluster
高密度連星におけるブラックホール形成

• Merging binary black holes can be formed in dense star clusters, such as open clusters and globular clusters. We focus on open clusters, and investigated binary black hole formation in open clusters. Then, we found that a non-negligible fraction of binary black holes can be formed in open clusters. We also consider globular clusters and Pop III star clusters. Both of them are also important for binary black hole formations.
  連星ブラックホールの形成過程として散開星団や球状星団などの高密度星団での力学形成が考えられています。我々は、散開星団に注目し、散開星団での連星ブラックホール形成を調べました。その結果、散開星団での形成も無視できないものであることが明らかになりました。我々はこの他にも球状星団や初代星星団も調べており、そのどちらも連星ブラックホール形成に重要であることがわかっています。
• Binary black hole formation in open clusters
  散開星団での連星ブラックホール形成
  

• References / 参考文献
  • Wang, Tanikawa, Fujii 2022, MNRAS, 515, 5106
  • Trani, et al., Tanikawa, Mapelli 2022, MNRAS, 511, 1362
  • Wang, Tanikawa, Fujii 2022, MNRAS, 509, 4713
  • Wang, Fujii, Tanikawa 2021, MNRAS, 504, 5778
  • Trani, Tanikawa, et al. 2021, MNRAS, 504, 910
  • Kumamoto, Fujii, Tanikawa 2020, MNRAS, 495, 4268
  • Kumamoto, Fujii, Tanikawa 2019, MNRAS, 486, 3942
  • Fujii, Tanikawa, Makino, 2017, PASJ, 69, 94
  • Tanikawa 2013, MNRAS, 435, 1358

Simulation of double white dwarfs
連星白色矮星シミュレーション

• One of the two popular scenarios for type Ia supernovae is the double degenerate scenario. We investigated the violent merger and D6 models along with the double degenerate scenario. We found that both of them can cause stellar explosions, however that their features may be different from those of type Ia supernovae.
  Ia型超新星爆発が白色矮星同士の合体によって起こるという説が提唱されています。この説は広義に二重縮退星シナリオと呼ばれています。我々は、二重縮退星シナリオのうち、violent mergerモデルとD6モデルの検証を行いました。結果、どちらも爆発は起こるが、その特徴がIa型超新星のものと一致するかどうかはまだ検証する必要があることがわかりました。
• Violent merger simulation / violent mergerシミュレーション
  
  
• D6 simulation / D6シミュレーション
  
  

D6 supernova remnant simulation / D6超新星残骸シミュレーション

• References / 参考文献
  • Kinugawa, Takeda, Tanikawa, Yamaguchi 2022, ApJ, 938, 52
  • Ferrand, Tanikawa et al. 2022, ApJ, 930, 92
  • Tanikawa et al. 2019, ApJ, 885, 103
  • Tanikawa et al. 2018, ApJ, 868, 90
  • Sato, Nakasato, Tanikawa et al. 2016, ApJ, 821, 67
  • Sato, Nakasato, Tanikawa et al. 2015, ApJ, 807, 105
  • Tanikawa et al. 2015, ApJ, 807, 40

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Tidal disruption event of white dwarfs
白色矮星の潮汐破壊現象

• White dwarfs are tidally disrupted by intermediate mass black holes when they approach to the black holes. This is called "white dwarf tidal disruption events". In the half way of the events, nuclear reactions are extremely active inside of the white dwarfs, and the white dwarfs can cause thermonuclear explosions. We validated the possiblity of the explosions, and investigated how we can observe the explosions. We also found that what dwarfs with 0.6 to 1.3 solar mass are tidally disrupted in globular clusters with equal probability.
  白色矮星は中間質量ブラックホールに十分近付くとブラックホールの潮汐力によって破壊されます。その潮汐破壊中に白色矮星内部で原子核反応が活発となり、白色矮星が熱核爆発を起こす可能性があります。我々はその可能性の検証を行ったところ、確かに白色矮星は熱核爆発を起こすことを示しました。また、その熱核爆発がどのように観測できるのかについても調べました。さらに、どのような白色矮星が潮汐破壊現象を起こしやすいのかを調べたところ、0.6太陽質量から1.3太陽質量までほぼ等確率で起こることが明らかになりました。
• Simulation of white dwarf tidal disruption event / 白色矮星の潮汐破壊現象シミュレーション
  
  

Mass distribution of white dwarfs tidally disrupted / 潮汐破壊される白色矮星の質量分布

• References / 参考文献
  • Tanikawa et al. 2022, MNRAS, 515, 4038
  • Kawana, et al., Tanikawa 2020, ApJL, 890, 26
  • Kawana, Tanikawa et al. 2018, MNRAS, 477, 3449
  • Tanikawa 2018, ApJ, 858, 26
  • Tanikawa 2017, MNRAS Letters, 475, 67
  • Tanikawa+ 2017, ApJ, 839, 81

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Developement of particle simulations
粒子シミュレーションコードの開発

• We dDevelop highly optimized particle simulation codes. So far, we developed Phantom-GRAPE, a numerical library for gravitational N-body simulation to utilize SIMD units on x86 architecture, and FDPS, a framework to support development of arbitrary particle simjulation codes. codes
  高度に最適化された粒子シミュレーションコードの開発を行っています。これまでにx86アーキテクチャ上でSIMD演算器を有効活用できるN体シミュレーションライブラリであるPhantom-GRAPEや、任意の粒子シミュレーションコードの開発を支援するフレームワークであるFDPSの開発を行いました。
• Examples of particle simulations with FDPS / FDPSを使用して開発した粒子シミュレーションコードの例
  

• References / 参考文献
  • Yoshikawa, Tanikawa 2018, RNAAS, 2, 4
  • Namekata, et al., Tanikawa et al.2018, PASJ, 70, 70
  • Iwasawa, Tanikawa et al. 2016, PASJ, 68, 54
  • Tanikawa et al. 2013, NewA, 19, 74
  • Tanikawa et al. 2012, NewA, 17, 82