研究課題名：融合型並列計算機による宇宙第一世代天体の起源の解明

1．研究課題名：

融合型並列計算機による宇宙第一世代天体の起源の解明

2．研究期間：

平成16年度～平成19年度

3．研究代表者：

梅村　雅之（筑波大学物理学系・教授）

4．研究代表者からの報告

（1）研究課題の目的及び意義

　本計画の目的は，これまでにない大規模な輻射流体力学計算を実現し，宇宙第一世代天体の形成過程を解明することであり，この目的のために汎用型プロセッサーと専用機とを融合させた新たな融合型並列計算機システムを開発する。宇宙の晴れ上がり（中性化）から，クェーサーや原始銀河が誕生するまでの時期は，宇宙暗黒時代と呼ばれ，この時代に宇宙で最初の天体（第一世代天体）が生まれたと考えられている。しかし，第一世代天体がどのような天体であったかについてはまだ十分に解明されていない。第一世代天体は，宇宙の全ての構造の起源となる天体であり，宇宙で最初に起こった“自己組織化”である。第一世代天体の誕生は，1）宇宙全体の進化，2）銀河の誕生，3）重元素の起源を解き明かす上で根源的な問題である。本計画の特色の一つは，研究手法として輻射流体力学という先進的な手法を用いる点である。輻射流体力学は，光の伝播と物質の振る舞いを整合的に扱う方法であるが，これまでは近似的にしか扱われたことがなかった。本計画では，近似のない輻射流体力学を実現するために，組み込み型の重力専用計算機をPCクラスタに融合させた新たな融合型並列計算機システムを開発している。これを用い，これまでにない大規模な輻射流体力学シミュレーションを行うことで，宇宙暗黒時代と宇宙第一世代天体の起源の解明を目指している。本計画は，第一世代天体形成のみならず，これに引き続く宇宙再電離，銀河形成に至る宇宙史の解明に大きな進展をもたらすものである。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

　宇宙第一世代天体の形成過程について大規模な輻射流体力学計算を行うためには，物質と光の作用および重力相互作用を極めて高速に計算する必要がある。そのために，宇宙物理サイドとして輻射流体力学および天体形成数値シミュレーションの専門家，計算機工学サイドとして，並列計算機のハードウェア，ソフトウェア，ネットワーク技術の専門家が，緊密な協力体制の下に，内部組み込み型の重力専用計算機Blade-GRAPEを新たに開発し，これをPCクラスタに搭載することで240ノードからなる融合型並列計算機－宇宙シミュレータFIRST－を完成させた。そしてこのシステムの性能評価を行い，実効性能，動作安定性，計算精度共に輻射流体力学計算に最適の性能をもつことを確認した。このシステムのピーク性能は，重力専用計算機部分33Tflops（テラフロップス），汎用計算機部分3Tflops（テラフロップス）である。そして，多次元輻射輸送と高精度流体力学を結合して近似なしに解くスキームを新たに開発し，このスキームをFIRSTシミュレータに実装し，世界に先駆けて大規模な多次元輻射流体力学を実現した。そして，高精度数値シミュレーションを行うことにより，宇宙第一世代天体における星形成過程や原始銀河形成過程について詳細な解析を行った。今後さらに大規模な数値計算を推し進め，第一世代天体から原始銀河に至る物理過程の解明を目指す。

5．審査部会における所見

A（現行のまま推進すればよい）
　重力専用計算機Blade-GRAPEを搭載した宇宙シミュレータ”FIRST”の開発は順調に行われ、その性能評価でも優れた計算能力が実証されている。また、多次元輻射輸送と物質に関する高精度流体力学を近似無しに同時に解くスキームを開発すると共に、詳細な輻射流体シミュレーションを行い、星形成のメカニズムに関する価値ある成果を収めつつある。研究は順調に進展しているものと判断する。今後の研究により、第一世代天体から銀河形成までの時代に関する天体物理学上の重要問題が解決されることを期待する。