東北大学研究者紹介

経歴 6

2025年4月～継続中

National Chung Hsing University　Visiting researcher
2025年4月～継続中

東北大学　学際科学フロンティア研究所　特任研究員（日本学術振興会特別研究員 PD）
2025年1月～ 2025年3月

National Chung Hsing University　Postdoctral Fellow
2024年4月～ 2024年12月

東北大学　学際科学フロンティア研究所　特任研究員
2022年4月～ 2024年3月

東京大学宇宙線研究所　特任研究員
2020年4月～ 2022年3月

京都大学大学院基礎物理学研究所日本学術振興会特別研究員

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学歴 2

京都大学大学院　理学研究科

2017年4月～ 2022年3月
京都大学理学部

2013年4月～ 2017年3月

所属学協会 2

日本天文学会
日本物理学会

研究キーワード 4

マグネター
高エネルギー宇宙物理
重力波
高速電波バースト

研究分野 2

自然科学一般 / 天文学 /
自然科学一般 / 素粒子、原子核、宇宙線、宇宙物理に関する理論 /

論文 11

Statistical Inference of Fast Radio Burst Environments Using Galaxy Number Density

Vignesh V. V. Rao, Tetsuya Hashimoto, Tomotsugu Goto, Shotaro Yamasaki, Mohanraj Madheshwaran, Sridhar Gajendran, Tomoki Wada, Simon C.-C. Ho, Terry Long Phan, Yuri Uno, Amos Y.-A. Chen, Hiroto Masaka

Publications of the Astronomical Society of the Pacific　2026年8月1日

DOI： 10.1088/1538-3873/ae918e 　
Constraints on the Physical Association between ICECAT1 Neutrinos and Fast Radio Bursts Using the Second CHIME/FRB Catalogue

Hiroto Masaoka, Tetsuya Hashimoto, Shotaro Yamasaski, Yuhei Iwata, Tomoki Wada, Tomotsugu Goto, Shintaro Yoshiura, Kazuaki Hashiyama, Mareki Honma, Takuya Akahori, Kohei Kurahara

2026年3月26日

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We present a search for neutrino counterparts to fast radio bursts (FRBs) using temporal and spatial cross-matching between the Second CHIME/FRB catalogue and the IceCube high-energy alert-track catalogue ICECAT1. Because current FRB--neutrino models do not provide a unique consensus on emission ordering, our primary significance test adopts a two-sided, order-agnostic temporal hypothesis. The analysis accounts for declination-dependent CHIME/FRB exposure and the look-elsewhere effect across multiple trials. No statistically significant FRB--neutrino association is found. The most significant pair is FRB\,20190630C--IC\,190629A, with a post-trial probability of $p=0.076$ ($1.43σ$), consistent with a chance coincidence. Within our statistical framework, a detectable physical association would require a time offset shorter than $\sim256$~s at $3σ$ or $\sim63$~ms at $5σ$. Using a population-level stacking analysis, we derive 90\% upper limits on the neutrino-to-radio luminosity ratio of FRBs, $ξ\lesssim 10^{8}-10^{11}$ for neutrino power-law spectral indices $γ=1.0-3.0$. These limits improve upon previous constraints by approximately two orders of magnitude and represent the most stringent bounds from FRB--neutrino coincidence searches to date. Although the current limits remain above the predictions of most magnetar-based models, they begin to constrain scenarios involving exceptionally efficient hadronic energy dissipation.
Unveiling Hidden Clustering: An Unsupervised Machine Learning Study of Repeating FRB 20220912A

An-Chieh Hsu, Tetsuya Hashimoto, Tomotsugu Goto, Tomoki Wada, Bjorn Jasper Raquel

Publications of the Astronomical Society of the Pacific　2026年2月1日

DOI： 10.1088/1538-3873/ae3986 　
Spectral Shapes of Pair Annihilation Line Emission in Magnetar Giant Flares

Tomoki Wada, Shigeo S Kimura

The Astrophysical Journal Letters　2026年1月20日

DOI： 10.3847/2041-8213/ae3289 　
Vacuum polarization effects in baryon-loaded magnetar bursts and implications for x-ray polarization

Tomoki Wada

Physical Review D　2025年12月15日

DOI： 10.1103/k3hz-k6v4 　

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Magnetars provide natural laboratories for strong-field quantum electrodynamics processes, such as vacuum polarization, which gives rise to vacuum resonance together with the plasma response. We develop a general framework to describe vacuum resonance in a three-component plasma consisting of ions, electrons, and positrons, as expected in baryon-loaded magnetar bursts. By introducing a parametrization of the plasma composition, we establish the general criterion for the occurrence of vacuum resonance in such plasmas. Our analysis encompasses both Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein-like adiabatic mode conversion and nonadiabatic eigenmode transition, highlighting their dependence on the plasma composition. Applying this framework to baryon-loaded fireballs in magnetar bursts, we estimate the characteristic X-ray polarization signatures. Detection of these polarizations will provide observational signatures of vacuum polarization as well as baryon loading in magnetar fireballs.
On Acceleration of Highest-energy Cosmic Rays in a Novel Scenario of Magnetar Transients

Jiro Shimoda, Tomoki Wada

The Astrophysical Journal　2025年6月20日
出版者・発行元： arXiv
DOI： 10.3847/1538-4357/add33c 　

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Transient phenomena in magnetars have been considered as possible acceleration sites of ultrahigh-energy cosmic-rays (CRs), whose energy reaches ~200 EeV, such as the Amaterasu particle. However, the process of CR acceleration and the trigger mechanism of magnetar transients remains unclear. A recently suggested scenario for the activity predicts that the magnetar's rotation axis suddenly flips due to the `Dzhanibekov effect,' resulting in a sudden rise of the Euler force. The material in the outer layer plastically flows due to the force and finally fractures in this scenario. We study the possibilities of ion acceleration along with this scenario. If the degenerate electrons burst open from the fractured region like a balloon burst, the pair plasma formation can be ignited inside the crust. We find that such pair plasma can emit photons similar to the observed bursts from magnetars. We also find that the electron stream at the beginning of the burst phenomenon possibly induces a strong electric field for a moment, resulting in the acceleration of ~1 ZeV ion within a timescale of ~1 ps. The nuclear spallation reactions limit this timescale, and therefore, high-energy CR `neutrons' from the parenteral nuclei become proper observational predictions of this scenario: their arrival time and direction will be correlated with the bursting photon emissions of the host magnetars. The nuclear spallation of ~ZeV nuclei is preferred to explain $\gtrsim$10 PeV neutrino events observed by IceCube and KM3Net.
Radiative Acceleration and X-ray Spectrum of an Outflowing Pure Electron–Positron Pair Fireball in Magnetar Bursts

Tomoki Wada, Katsuaki Asano

Progress of Theoretical and Experimental Physics　2025年3月8日

DOI： 10.1093/ptep/ptaf033 　

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One X-ray short burst accompanied by a Galactic fast radio burst has been detected so far, and its X-ray cut-off energy was significantly higher than that of other X-ray short bursts. Such X-ray bursts are thought to be emitted from a fireball in the magnetosphere of magnetars. If a fireball is formed around a magnetic pole, it expands and is accelerated under its radiation pressure, later producing photon emission and plasma outflow, which can be responsible for radio bursts. We numerically study the radiative acceleration of this outflowing fireball, which consists of electron-positron pairs and radiation, and obtain the spectrum of the escaped X-ray photons. We consistently take into account cyclotron resonant scattering, which enhances the scattering cross section resulting in a strong radiative force and high optical depth. Our results show that similar spectra to the observed X-ray spectrum in the Galactic fast radio burst are realized in outflowing fireballs and that the plasma outflow is simultaneously accelerated to a high Lorentz factor owing to cyclotron resonant scattering.
The Dzhanibekov Effect as a Possible Source of Magnetar Activity

Tomoki Wada, Jiro Shimoda

The Astrophysical Journal　2024年9月1日

DOI： 10.3847/1538-4357/ad6847 　
Expanding fireball in magnetar bursts and fast radio bursts

Tomoki Wada, Kunihito Ioka

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society　519　(3)　4094-4109　2023年1月9日

DOI： 10.1093/mnras/stac3681 　

ISSN：0035-8711

eISSN：1365-2966
Binary Comb Models for FRB 121102

Tomoki Wada, Kunihito Ioka, Bing Zhang

The Astrophysical Journal　920　(1)　54-54　2021年10月1日

DOI： 10.3847/1538-4357/ac127a 　

ISSN：0004-637X

eISSN：1538-4357
Analytic properties of the electromagnetic field of binary compact stars and electromagnetic precursors to gravitational waves

Tomoki Wada, Masaru Shibata, Kunihito Ioka

Progress of Theoretical and Experimental Physics　2020　(10)　2020年10月9日

DOI： 10.1093/ptep/ptaa126 　

ISSN：2050-3911

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共同研究・競争的資金等の研究課題 4

マグネターのX線偏光で探る超強磁場の物理現象

和田知己

2025年4月1日～ 2028年3月31日
マルチメッセンジャー観測に向けたマグネター爆発現象に関する理論的研究

和田知己

2025年4月1日～ 2028年3月31日
多波長・多時間軸観測から迫る高速電波バーストの起源天体

和田知己

提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

研究種目：Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

研究機関：The University of Tokyo

2022年8月～ 2024年3月

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これまでに観測されている高速電波バーストの中で特に重要なイベントとして、銀河系内のマグネターから観測されたバーストがある。この高速電波バーストは、X線ショートバーストに付随して発見された。これらのX線ショートバーストと高速電波バーストに関する理論的研究を遂行した当該年度は、X線ショートバーストが膨張するファイアボールから放射されていると仮定して、X線のスペクトルと、付随するアウトフローのダイナミクスを輻射流体力学の数値シミュレーションによって明らかにした。アウトフローは、運動エネルギーの一部を高速電波バーストや電波・可視光の残光として放射しうる。したがって、アウトフローのダイナミクスを正確に求めることは、多波長・多時間軸観測にとって重要である。数値シミュレーションの結果、以下のことを明らかにした。(1)アウトフローのダイナミクスには、サイクロトロン共鳴散乱を介した輻射加速が重要であり、この有無で運動エネルギーは10倍程度変わりうること。このことは、昨年度の研究で解析的に明らかになっていたが、初めて数値的に検証することができた。(2)アウトフローの加速過程は、磁場中の散乱断面積の周波数依存性を反映すること。(3)高速電波バーストと同時に観測されたX線のスペクトルが再現できること。また、そのX線ショートバーストに付随するアウトフローはローレンツ因子が100程度にまで加速されること。これとは別に、一部のX線突発天体の駆動メカニズムに関する研究もおこなった。三軸不等のマグネターが、ある初期条件のもとで回転すると、回転軸が反転する。これはジャニベコフ効果として知られている過程である。反転の際には、マグネターのクラストにオイラー力がかかり、これがX線突発天体を引き起こす可能性があることを明らかにした。
中性子星連星の合体前電磁波対応天体に関する理論的研究

和田知己

2020年4月24日～ 2022年3月31日

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本年度は、まず中性子星を含むコンパクト星連星が合体直前に軌道運動を由来として放射する電磁波の光度および周囲の電磁場の解析的な計算を、ニュートン重力のもとで行った。その結果、典型的な 10 の 12 乗ガウス程度の大きさの磁場を持つ中性子星の合体において、主に次の二つの場合に電波放射の光度が高速電波バーストの光度と同程度になることがわかった。一つは、ブラックホールのスピンは小さいが、合体に伴う全電磁波光度の 10% が電波放射として放射される場合である。もう一つは全電磁波光度の電波への変換効率が 0.1%程度と小さいが、ブラックホールのスピンが大きく、中性子星が合体の直前まで壊されないような場合である。これらの場合にはコンパクト連星合体由来の重力波と高速電波バーストが同時に観測される可能性がある。また、真空中を中性子星が公転運動する際に作られる電磁場の解析解を用いて、公転運動によって形成される磁気圏の粒子数密度を解析的に評価した。この磁気圏は先行研究の数値シミュレーションから合体直前に形成されることが既に明らかになっていたが、我々の導出した解析解を使うことで、その磁気圏のプラズマ数密度のパラメータ依存性を導出した。その結果、合体直前は軌道運動由来の磁気圏の粒子数密度が高く、プラズマの multiplicity が大きい場合か、高速電波バーストが星の近傍で形成されると我々には観測できなくなることも明らかになった。 2020年に発見された高速電波バーストFRB 121102の周期的活動性に関する研究も行った。初めて周期的活動性が報告された FRB 180916 に対して考案されたモデルの一つである binary comb model を FRB 121102 に対して適用した。