2024/07/31 更新

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トミザワ　シンヤ
富沢　真也
Tomizawa Shinya
所属
大学院工学研究科 物質工学分野 数理物理学研究室 教授   
学位
博士（理学） （ 東京工業大学 ）
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研究分野

  • 自然科学一般 / 素粒子、原子核、宇宙線、宇宙物理にする理論

主な研究論文

  • Construction and application of variations on the cylindrical gravitational waves of Weber, Wheeler, and Bonnor

    T. Mishima, S. Tomizawa

    Physical Review D   96 ( 2 )   024023   2017年

    Supersymmetric black lenses in five dimensions

    S. Tomizawa, M. Nozawa

    Physical Review D   94 ( 4 )   044037   2016年

    New approach to solution generation using SL(2,R)-duality of a dimensionally reduced space in five-dimensional minimal supergravity and new black holes

    S. Mizoguchi, S. Tomizawa

    Physical Review D   84   104009   2011年

    Uniqueness theorem for charged rotating black holes in five-dimensional minimal supergravity

    S. Tomizawa, Y. Yasui, A. Ishibashi

    Physical Review D   79   124023   2009年

    Topology Change of Coalescing Black Holes on Eguchi-Hanson Space

    H. Ishihara, M. Kimura, S. Tomizawa

    Classical and Quantum Gravity   23   L89   2006年

経歴

  • 豊田工業大学   教授

    2020年4月 - 現在

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    国名：日本国

  • 東京工科大学   准教授

    2014年4月 - 2020年3月

    　 詳細

    国名：日本国

  • 茨城大学   准教授

    2012年4月 - 2014年3月

    　 詳細

    国名：日本国

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学歴

  • 東京工業大学   大学院理工学研究科   基礎物理学専攻

    2002年4月 - 2005年3月

    　 詳細

    国名： 日本国

  • 東京工業大学   理工学研究科   基礎物理学専攻

    2000年4月 - 2002年3月

  • 東京工業大学   理学部   物理学科

    1996年4月 - 2000年3月

所属学協会

  • 素粒子論ブループ

    2010年4月 - 現在

  • 理論天文学宇宙物理学懇談会

    2005年4月 - 現在

  • 日本物理学会

    2003年4月 - 現在

  • 一般相対論と重力グループ（JGRG）

    2003年4月 - 現在

委員歴

  • 日本物理学会 大学の物理教育編集委員会   委員  

    2021年4月 - 2022年3月   

    　 詳細

    団体区分：学協会

  • 日本物理学会 Jr. セッション   第 1 次審査審査員  

    2021年1月 - 2021年3月   

  • 日本学術振興会 科学研究費委員会   専門委員 [基盤(C)] (素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論)  

    2020年12月 - 2021年11月   

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研究テーマ

  • 量子ブラックホール

    富沢　真也, 鈴木　良拓（転出・退職）

    2022年度 - 現在

    　詳細

    ペンローズによって証明された「特異点定理」によると、宇宙には必ずどこかに特異点が存在する。この特異点とは、時空の曲率が無限大になり一般相対性理論が破綻する点である。それは、例えば、ブラックホールの内部や宇宙の始まった瞬間に存在すると考えられている。このような点の近傍を記述するためには量子重力が必要だと考えられているが、現時点では未完成の理論である。将来的に量子重力理論が完成すれば、このような特異性は解消されると期待されている。量子重力理論の完成には長い年月がかかるので、量子重力のブラックホールの候補として「特異点のないブラックホール（non-singular black hole, regular black hole）」のモデルを考える研究が世界的に盛んに行われている。本研究室では、観測と整合的な「特異点のないブラックホールモデル」の性質を研究している。

    成果：

    2023年度
    General relativity coupled to nonlinear electrodynamics is known to have nonsingular black hole solutions. We have investigated the existence conditions for such solutions in two-parameter Lagrangian L(F,G). In particular, we have obtained a criterion on the Lagrangian for the existence of nonsingular black hole with a dyonic charge. In addition, we have presented a simple example of two-parameter Lagrangian satisfying the criterion, in which the existence of the dyonic solution is actually confirmed. Moreover, apart from the actual existence of dyonic solutions, we have considered some examples for the Lagrangian satisfying such a criterion.

    2022年度
    We have investigated the bound orbits of massive/massless, neutral particles and photons moving around regular black holes of Fan and Wang. For massive particles, we have shown the existence of stable/unstable circular orbits and the charge dependence of the radius of the innermost stable circular orbit. Remarkably, we found an unstable circular orbit of photons inside the event horizon. For massless particles and photons, we have shown that both stable and unstable circular orbits can exist in a regular and horizonless spacetime with a slight overcharge. Then, we also discussed the periapsis shift of massive neutral particles orbiting around the black hole, and showed that the charge gives a negative correction to the shift for black holes with small nonlinearity of electrodynamics.

  • 疑似ブラックホール

    富沢　真也, 鈴木　良拓（転出・退職）

    2022年度 - 現在

    　詳細

    ブラックホールとは、そこから何も出て来ることができない宇宙の領域のことである。ところが、この何も出てこないブラックホールの古典的描像は、量子論を考えると大きく変わる。ブラックホールは、その周りで、量子効果による粒子生成によりプランク分布に従う熱的放射（ホーキング輻射）をして最終的には蒸発するという驚きの性質を持っている。しかし、宇宙にあるブラックホールの輻射はあまりにも微弱であるため観測することは不可能だと考えられている。そのため、ホーキング輻射の観測のためブラックホールと似た振る舞いをする流体ブラックホールが近年世界中で盛んに研究されてきた。なぜなら、流体中の音の伝搬とブラックホール時空の光の伝搬はよく似ていて流体ブラックホールは実験室で作れるからである。本研究室でも、ホーキング輻射だけではなく、ブラックホールに関わる物理現象を実験室で検証することを目標に、様々なタイプの流体ブラックホールのモデルを考案している。

    成果：

    2023年度
    We proposed a new simple model of acoustic black hole in a thin tube, where the difference in the gravitational potential is used to create a transonic flow. The main merit of our transonic flow model is that the Euler equations can be solved analytically. In fact, we obtained an exact solution to the equation in terms of a height function in the monatomic case. For a more general case, we found that it takes a simple form by the near-sonic approximation. Moreover, we obtained two analytic solutions describing a backward wave and a forward wave, from which we confirmed the existence of sonic horizons.

  • 高次元極限法を用いたEinstein-Gauss-Bonnet理論におけるブラックホールの理論的研究

    富沢　真也, 鈴木　良拓（転出・退職）

    2021年度 - 現在

    　詳細

    　Einsteinの一般相対性理論を拡張したEinstein-Gauss-Bonnet理論におけるブラックホール解を高次元極限法を用いて、理論的に解析する。特にこれまで解析が数値解や摂動解などに限られていた回転ブラックホール解の1/D展開を用いた解析解の導出および安定性解析などを行う。

    成果：

    2023年度
    We have investigated the nonlinear dynamics of D=2N+3 Myers-Perry black holes with almost equal angular momenta, which have N equal spins out of possible N+1 spins. In particular, we have studied the ultraspinning instability and the fate of its nonlinear evolution using the large D effective theory approach. We have found that every stationary phase can be mapped to the counterpart in the singly rotating phase within the leading order effective theory. From the known results of singly rotating solutions, we have obtained the phase diagram of almost equally rotating black holes. We have also obtained a certain implication for the possible topology changing transition.

    2022年度
    The phase and stability of black strings in the Einstein-Gauss-Bonnet (EGB) theory are investigated by using the large D effective theory approach. The spacetime metric and thermodynamics are derived up to the next-to-leading order (NLO) in the 1/D expansion. We found that the entropy current defined by the Iyer-Wald formula follows the second law. As in the Einstein theory, the entropy difference from the total mass produces an entropy functional for the effective theory. Including the NLO correction, we found that for the large Gauss-Bonnet coupling constant, the Gregory-Laflamme instability of uniform black strings needs longer wavelength. Moreover, we showed that the critical dimension, beyond which non-uiform black strings becomes more stable than uniform ones, increases as α becomes large, and approaches to a finite value for α→∞.

  • ブラックホールおよびmicrostate geometryの周りの粒子と光の運動

    富沢　真也, 鈴木　良拓（転出・退職）

    2021年度 - 現在

    　詳細

    　近年、超重力理論の解であるMicrostate geometryが、近似的にブラックホールの幾何学的構造を記述することから、ブラックホールの情報損失問題の解決という観点から世界的に注目されている.しかし、こうした解が、現実の宇宙にあるブラックホールを記述するかどうかは、現時点で不明である．これを明らかにするため、Microstate geometryの古典的な物理的性質（安定性、熱力学、光や粒子の挙動、重力レンズ効果、重力波放射、ホーキング輻射など）について解析を行っている．

    成果：

    2023年度
    Using the exact solution that describes multi-centered rotating black holes, recently discovered by Teo and Wan, we have investigated the innermost stable circular orbit (ISCO) for massive particles and the circular orbit for massless particles moving around a spinning black hole binary. We assume equal masses M1 = M2 = m and equal spin angular momenta |J1| = |J2| for both black holes. Firstly, we have examined the case where two black holes are spinning in the same direction (J1 = J2). We have clarified that that for particles rotating in the same direction as (opposite directions to) black holes’ spin, the greater the spin angular momenta of the black holes, the more the radii of the ISCO for massive particles and the circular orbit for massless particles decrease (increase). We have shown that distinct ISCO transitions occur for particles rotating in the same direction as the black holes in three ranges of spin angular momenta: 0 < J1/m^2 = J2/m^2 < 0.395..., 0.395... < J1/m^2 = J2/m^2 < 0.483..., and 0.483 . . . < J1/m^2 = J2/m^2 < 0.5. Conversely, particles rotating in the opposite direction to the black holes exhibit a consistent transition pattern for the case 0 < J1/m^2 = J2/m^2 < 0.5. Secondly, we study the situation where binary black holes are spinning in opposite directions (J1 = −J2). We have clarified that for large (small) separations between black holes, the ISCO appears near the black hole that is spinning in the same (opposite) direction as particles’ rotation. Additionally, we have shown that different ISCO transitions occur in the three angular momentum ranges: 0 < J1/m^2 = −J2/m^2 < 0.160..., 0.160... < J1/m^2 = −J2/m^2 < 0.467..., and 0.467... < J1/m^2 = −J2/m^2 < 0.5.

    2023年度
    Recently, various types of the regular black hole model are reintroduced as the solution of the Einstein equations coupled with nonlinear electrodynamics (NED). In NED, it is known that photons do not propagate along the null geodesics of the spacetime geometry, but of so-called effective geometry, which suggests the possibility of so-called “faster/slower than light” photons. We have studied the relation between the causality of photons and the dominant energy condition (DEC) in some static and spherically symmetric black hole spacetimes in NED. We have shown that if photon trajectories with a nonzero angular momentum are timelike in the spacetime geometry, DEC is always satisfied in static and spherically symmetric spacetimes in any NED that admits the Maxwell limit, and vice versa, at least, in the weak field limit. Thus, this implies that in such NED, the violation of DEC admits the existence of faster than light photons.

    2022年度
    We showed the existence of stable bound orbits for the massive and massless particles moving in the simplest microstate geometry spacetime in the bosonic sector of the five-dimensional minimal supergravity. In our analysis, reducing the motion of particles to a two-dimensional potential problem, we numerically investigated whether the potential has a negative local minimum.

  • アインシュタインマックスウェル理論における非線形重力波

    富沢　真也

    2020年度 - 現在

    　詳細

    　LIGOによる重力波の発見によって、現代物理学の新しい時代の扉が開かれた．特に、重力波の基礎的性質の解明はその分野の研究の基盤として重要である．本研究では、重力波のモード間あるいは電磁波‐重力波間の強い転換現象の解析を行った．今後、天体現象における重力波の発生において、電磁波‐重力波の強相関的現象も考慮されなければないため、そのような解析の礎となるだろう．さらに、ブラックホール研究で開発された方法を非線形重力波の解析に応用し、重力ファラデー効果や重力波の非線形現象の研究も行っている．

    成果：

    2023年度
    Using the ``composite harmonic mapping method," we haveconstructed exact solutions for cylindrically symmetric gravitational and electromagnetic waves within the Einstein-Maxwell system, focusing on the conversion dynamics between these types of waves. In this approach, we have employed two types of geodesic surfaces in H^2_c : (a) the complex line and (b) the totally real Lagrangian plane, applied to two different vacuum seed solutions: (i) a vacuum solution previously utilized in our studies and (ii) the solitonic vacuum solution constructed previously by Economou and Tsoubelis. We have studied three scenarios: case (a) with seeds (i) and (ii), and case (b) with seed (ii). In all cases (a) and (b), solutions demonstrate notable mode conversions near the symmetric axis. In case (a) with seed (i) or seed (ii), we have shown that any change in the occupancy of the gravitational or electromagnetic mode relative to the C-energy near the axis always reverts to its initial state once the wave moves away from the axis. Particularly in case (b) with seed (ii), nontrivial conversions occur even when the wave moves away from the axis. In this case, the amplification factors of electromagnetic modes range from an upper limit of approximately 2.4 to a lower limit of about  0.4, when comparing the contributions of electromagnetic mode to C-energy at past and future null infinities.

    2022年度
    Applying a simple harmonic map method to the cylindrically symmetric Einstein-Maxwell system, we obtained exact solutions representing strong nonlinear interaction between gravitational waves and electromagnetic waves in the case without any background field. As an interesting fact, we showed that with adjusted parameters the solution represents occurrences of large conversion phenomena in the intense region of fields near the cylindrically symmetric axis.

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論文

  • New black ring with all independent conserved charges in five-dimensional minimal supergravity 査読

    Ryotaku Suzuki, Shinya Tomizawa

    Physical Review D, arXive:2407.18142 [hep-th]   2024年7月

    　詳細

    担当区分：最終著者,　責任著者   記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

  • New construction of a vacuum doubly rotating black ring by the Ehlers transformation 査読

    Ryotaku Suzuki, Shinya Tomizawa

    Physical Review D, arXive: 2406.11804 [hep-th]   2024年6月

    　詳細

    担当区分：最終著者,　責任著者   記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

  • Nonlinear dynamics driving the conversion of gravitational and electromagnetic waves in cylindrically symmetric spacetime 査読

    Takashi Mishima, Shinya Tomizawa

    Physical Review D   110 ( 2 )   024038   2024年5月

    　詳細

    担当区分：最終著者   記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1103/PhysRevD.110.024038

  • Innermost stable circular orbits around a spinning black hole binary 査読

    Eiki Kagohashi, Ryotaku Suzuki, Shinya Tomizawa

    Physical Review D   110 ( 2 )   024013   2024年3月

    　詳細

    担当区分：最終著者,　責任著者   記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1103/PhysRevD.110.024013

  • Solution Generation of a Capped Black Hole 査読

    Ryotaku Suzuki, Shinya Tomizawa

    Physical Review D   110 ( 2 )   024026   2024年3月

    　詳細

    担当区分：最終著者,　責任著者   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

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MISC

  • 26pSL-1 新しい円筒対称重力波ソリトン解の新奇な特性

    三島 隆, 富沢 真也

    日本物理学会講演概要集   70.2   370   2015年 （     eISSN:2189-0803 ）

    　詳細

    記述言語：日本語   出版者・発行元：一般社団法人 日本物理学会  

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.70.2.0_370

  • New solution-generation-techniques using SL(2, R)-duality and general black holes

    Shinya Tomizawa, Shun’ya Mizoguchi

    The 13th Marcel Grossmann Meeting: On Recent Developments in Theoretical and Experimental General Relativity, Astrophysics and Relativistic Field Theories - Proceedings of the MG13 Meeting on General Relativity, 2012   ( 210699 )   1327 - 1329   2015年

    　詳細

    記述言語：英語   掲載種別：記事・総説・解説・論説等（国際会議プロシーディングズ）   出版者・発行元：World Scientific  

    The dimensional reduction of (the bosonic sector of) five-dimensional minimal supergravity to four dimensions leads to a theory with a massless axion and a dilaton coupled to gravity and two U(1) gauge fields (one of which has Chern-Simons coupling), whose field equations have SL(2, R) invariance. Utilizing this SL(2, R)-duality in the dimensionally reduced spacetime, we provide a new formalism for solution generation. Using the SL(2, R)-duality, we construct general Kaluza-Klein black hole solutions which carry six independent charges, its mass, angular momentum along four dimensions, electric and magnetic charges of the Maxwell fields in addition to Kaluza-Klein electric and magnetic monopole charges.

    DOI： 10.1142/9789814623995_0162

  • 24aZW-11 歪んだGodel宇宙内の回転多体ブラックホール(宇宙物理,宇宙線・宇宙物理領域)

    松野 研, 石原 秀樹, 富沢 真也, 中川 利治

    日本物理学会講演概要集   63.1.1   109   2008年 （     eISSN:2189-0803 ）

    　詳細

    記述言語：日本語   出版者・発行元：一般社団法人 日本物理学会  

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.63.1.1.0_109_4

  • 23pZH-2 Eguchi-Hanson空間上の回転ブラックホールの合体(23pZH 宇宙物理,宇宙線・宇宙物理領域)

    松野 研, 石原 秀樹, 富沢 真也, 木村 匡志

    日本物理学会講演概要集   62.2.1   112   2007年 （     eISSN:2189-0803 ）

    　詳細

    記述言語：日本語   出版者・発行元：一般社団法人 日本物理学会  

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.62.2.1.0_112_4

  • 21pSG-2 Kaluza-Kleinブラックホールの質量(21pSG 宇宙物理,宇宙線・宇宙物理領域)

    松野 研, 石原 秀樹, 富沢 真也, 木村 匡志

    日本物理学会講演概要集   61.2.1   63   2006年 （     eISSN:2189-0803 ）

    　詳細

    記述言語：日本語   出版者・発行元：一般社団法人 日本物理学会  

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.61.2.1.0_63_2

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講演・口頭発表等

  • 位相検閲定理とブラックホールの非一意性 招待

    富沢真也, 鈴木良拓

    茨大素粒子Mini Workshop  ( 茨城大学 )   2024年3月 

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    会議種別：口頭発表（招待・特別）  

  • 重力波・電磁波が伝播する円筒対称時空中の試験粒子の挙動

    三島隆*, 富沢真也

    日本物理学会　２０２４年春季大会  ( オンライン )   2024年3月 

    　詳細

    会議種別：口頭発表（一般）  

  • A capped black hole I : Solution generation of spherical black holes

    富沢真也, 鈴木良拓

    日本物理学会　２０２４年春季大会  ( オンライン )   2024年3月 

    　詳細

    会議種別：口頭発表（一般）  

  • A capped black hole II : Non-uniqueness of spherical black holes

    鈴木良拓, 富沢真也

    日本物理学会　２０２４年春季大会  ( オンライン )   2024年3月 

    　詳細

    会議種別：口頭発表（一般）  

  • 厳密解を用いた重力的波動現象における非線形効果の探求 招待

    三島隆*、富沢真也

    ブラックホール研究会  ( 日本大学 )   2024年3月 

    　詳細

    会議種別：口頭発表（招待・特別）  

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受賞

  • Research highlights of 2006/2007,

    2007年   Classical and Quantum Gravity,   Topology change of coalescing black holes on Eguchi-Hanson space,

科学研究費補助金

担当科目（学内） ※授業フィードバックは学内ネットワークからのみ閲覧可能です。

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教育内容・方法の工夫

  • 応用数学1（前半：ベクトル解析）

    　詳細

    ベクトル解析は、電磁気学や流体力学など物理学の多くの分野を理解するために必要不可欠な科目である。この科目の主要な内容は、スカラー場、ベクトル場の微分と線積分ならびに面積分、ストークスの定理とガウスの発散定理である。基礎的な性質や定理などについて、その意味と導出（証明）を可能な範囲で十分に理解することを目指す。本授業では、単に数学の基本事項を説明するのではなく、電磁気学と関連する例題を取り上げたり実用的な問題を解かせたりすることで、工学への応用の側面を強調している。また、工学部の1年次学生にとって独力も読めるような標準的レベルの教科書を選定し、自習できるようにしている。

  • 応用数学2（前半：フーリエ解析）

    　詳細

    フーリエ解析は工学分野、特に電気系、情報系、機械系および物理系において重要な数学であり、極めて幅広い応用性を持っている。本授業では、単に数学の基本事項を説明するのではなく、物理や工学と関連する例題を取り上げたり実用的な問題を解かせたりすることで、工学への応用の側面を強調している。

  • 線形代数2

    　詳細

    「線形代数１」で学んだベクトル、行列、行列式を用いて、線形空間と写像の概念、計量線形空間とフーリエ式展開、固有値と固有ベクトルの意味を理解し、種々の工学の問題に適用できる力を養う。講義では、教科書にそって、数学的により厳密な取り扱いを説明するが、概念をしっかりとイメージできるように工学における使用例を交えながら説明する。本授業では、概念の修得と同時に、実際に計算できる能力をつけるために、なるべく多くの問題を解くための宿題と演習を行う。また、単に数学の基本事項を説明するのではなく、物理や工学と関連する例題を取り上げたり実用的な問題を解かせたりすることで、工学への応用の側面を強調している。

  • 現代物理学特論（前半）

    　詳細

    この授業では、力学、電磁気学、物性、量子力学、相対性理論といった物理学の基礎から、現代物理学のさまざまなトピックについて講義する。特に「相対論」という物理学の花形に焦点を当て、その理論がどのように発展してきたか、我々の世界観をどう変えてきたか、どう利用され、応用されてきたかを理解するのが目的である。講義の初回には、理論をイメージしやすくする映像を視聴させることにしている。また、我々の持つ常識や先入観がいかに危ういかを実感してもらうため、さまざまな思考実験を講義の随所に取り入れている。
    さらに、物理学史だけでなく、最先端の物理学の話題や考え方にも触れ、工学への応用についても話をする。

  • 力学1および演習（演習）

    　詳細

    高校物理の公式を暗記して使うだけの勉強法を脱却するため、演習では公式を自分で導出することや、本質的な理解がなければ解けないような問題を出題することにしている。これにより、単なる公式の当てはめではなく、物理学の根本的な理解へと導くことを目指している。

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作成した教材

  • 作成した教科書、教材、参考書

    　詳細

    毎回配布する講義資料は、（要点をまとめただけでなく）学生が授業中に書き込めるように作成した。
    特に、ipadなどの端末で講義資料を読む受講者と印刷して読む受講者のために２種類のpdfファイルを作成した。
    また、授業時間外に学生が復習や予習をしやすくするため、講義資料は、教科書の行間を埋める形で一つ一つの式変形を丁寧に記述した。さらに、教員が授業中に書き込んだファイルをclassroomにアップロードして学生が閲覧できるようにした。毎回授業では、classroomの選択式問題を利用して、授業内容の理解を確認するための演習問題を課題として提出させた。