天文・宇宙分野１ 梅村雅之 「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」

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1 天文・宇宙分野１ 梅村雅之 「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」
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 「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」 天文・宇宙分野１ 課題(7) 惑星・星・星団形成の基礎過程の解明 　（責任者：牧野淳一郎） 課題(8) 銀河と超巨大ブラックホール形成の基礎過程の解明　（責任者：梅村雅之） 梅村雅之 筑波大学 計算科学研究センター 素粒子宇宙研究部門 数理物質科学研究科 物理学専攻

2 種の起源 月の起源 物質の起源－ビッグバン理論－ 1859年 チャールズ・ダーウィン （Charles Darwin） 1892年
ジョージ・ダーウィン（George Darwin） 物質の起源－ビッグバン理論－ 1948年 ジョージ・ガモフ（George Gamow） 原材料「イーレム」＝中性子 1950年 林忠四郎 原材料「イーレム」＝中性子＋陽子

3 重元素の起源 重元素はいつどのように生まれたのか？ 太陽 H 70.7% He 27.4% C 0.7% N 0.2% ビッグバン
O % Si % ビッグバン H % He % 地球 O % Si % Al % Fe % Ca % Na % H % 重元素はいつどのように生まれたのか？

4 天体の起源 物質の起源 宇宙中性化 ⑧ ⑥ ⑨ 宇宙再電離 ⑨ ⑥ ⑧ ⑨ H2O ⑦ ⑨ ⑦ ビッグバン 宇宙時間 インフレーション
10-44秒 天体の起源 物質の起源 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 軽元素合成 （水素,ヘリウム ,... ） 38万年 密度ゆらぎ 宇宙中性化 宇宙 暗黒時代 ⑧ ⑥ ⑨ 初代超新星／GRB 宇宙最初の 重元素合成 （酸素, 炭素, 窒素... ） 第一世代天体 小ブラックホール 4億年 宇宙再電離 ⑨ 初代銀河 ⑥ 超新星／GRB 　元素合成 （酸素, 炭素, 窒素, 金属元素, ...） ⑧ ⑨ 共進化 原始銀河 巨大ブラックホール H2O ⑦ 星形成 ⑨ 星の金属組成 （金属欠乏星） 137億年 （現在） 銀河団 ⑦ 惑星系 地球・太陽

5 第一世代星誕生の超高分解能シミュレーション
（Umemura, Suwa, Susa, 2009） CDM 宇宙における初代星形成過程の 超高分解能シミュレーション z =30 P3M-GRAPE-SPH 計算 Baryon mass: 2106M Dark matter mass: 1107M z =20 3 x 108 particles for baryon + dark matter 分解能: 0.07M in dark matter 0.014M in baryon z =16

6 多重超新星爆発による原始銀河の進化 10243 格子流体計算 80,000,000 超新星爆発
Mori and Umemura, 2006, Nature, 440, 644 10243 格子流体計算 80,000,000 超新星爆発 ライマンアルファ天体 （観測） シミュレーション 8000万個の超新星爆発

7 星形成シミュレーション 惑星形成シミュレーション ４Ｄ２Ｕ　国立天文台

8 原子・光・ダークマターの６次元計算 ６次元輻射流体力学計算(原子＋光) ６次元ボルツマン方程式(ダークマター) 星 ダークマター 光 ガス雲
（原子）

9 ６次元宇宙物理学によるブレークスルー ６次元ボルツマン方程式 ６次元輻射流体力学 すばる望遠鏡 ALMA計画 多波長・高分解能観測
　６次元宇宙物理学によるブレークスルー　 原子 （流体計算） ６次元ボルツマン方程式 ６次元輻射流体力学 天体形成史の解明 重力レンズパターン の詳細計算 多波長スペクトル の直接計算 光 （輻射輸送計算） ダークマター （無衝突ボルツマン計算） すばる望遠鏡 ALMA計画 多波長・高分解能観測 との直接比較

10 第一世代天体の6次元輻射流体シミュレーション
計算手法：Ｎ体ダークマター＋輻射流体力学(START) 計算規模：Ｎ体＝10^12， START=10^8体 1PM/ DISK 10PB/Run 計算資源：次世代スパコン 計算時期：初期 実績、準備状況：2048^3 が天文 XT4 で 1ヶ月。実行性能50% 200万体問題をT2K-Tsukuba 128コアで１ステップ30秒。 波及効果、連携：初代超新星/GRB 小ブラックホール(課題６) z=20 z=12

11 銀河とブラックホール共進化の統合シミュレーション
計算手法：N体(Tree) +流体(SPH)＋6次元輻射流体(START)＋6次元ボルツマン(PFC) 計算規模：粒子数 N体＝10^12体，SPH＝10^10体，START ＝10^8体， PFC ＝ 256^3 (空間方向)×64^3 (運動量方向) 　0.5PY/ DISK 0.1PB/Run 計算資源：分野内計算機あるいは次世代スパコン 計算時期：前期＆後期 実績、準備状況：実行性能 30%程度 波及効果、連携：巨大ブラックホール(課題９)，星形成(課題７) ３億年 6次元ボルツマン計算 ５億年 10億年 密度揺らぎのパワーの大きさの比 高精度流体計算 密度揺らぎの波数

12 次世代スパコンによる計画 課題(7) 惑星・星・星団形成の基礎過程の解明 N体＝10^12体，流体＝10^10体
課題(8) 銀河と超巨大ブラックホール形成の基礎過程の解明 流体＝10^10体，輻射流体 ＝10^8体， ボルツマン＝ 256^3 (空間方向)×64^3 (運動量方向) 銀河・巨大ブラックホール形成から 星・惑星系形成まで，宇宙の天体形成史を解明