地球には、宇宙から宇宙線やX線・ガンマ線などの高エネルギー粒子がたくさんやってきています。宇宙線粒子については、一粒子当たりのエネルギーが10ジュールのものもやってきています。これはサーブをうったときのテニスボールの運動エネルギーに相当します。高エネルギーのニュートリノや重力波も検出されています。このような高エネルギー粒子、ニュートリノ、ガンマ線がどこでどのようにして生成されるのか未解明です。
また、宇宙の星々には一生があり、銀河の中で生まれ、やがて死んでいく、ということを繰り返しています。宇宙空間に漂うガスは星の材料であり、そこから星が誕生するまでの過程については、まだ多くの謎が残されています。
我々は、宇宙線、電波〜ガンマ線といった電磁波、ニュートリノ、重力波の発生源と考えられる高エネルギー天体現象と、宇宙における星の形成について研究しています。詳細は理論宇宙物理学研究室のホームページをご覧ください。

ガンマ線バースト（GRB）とは、ガンマ線が、0.1秒から1000秒のあいだ、バースト的に観測される天体現象で、およそ1日1回の頻度で観測されています。GRBは100億光年以上の彼方からやってきます。 放射されるガンマ線の全エネルギーは莫大で、少なくとも地球1000個分の質量エネルギーにも及び、宇宙で最も劇的な爆発現象であるといえます。発見されたのは1970年代ですが、今でもその正体は未解明です。理論的・観測的制限から、GRBはわれわれに向かう相対論的ジェット（つまり、ほぼ光速で進むジェット）から生じると考えられていますが、そのジェットを生み出す中心天体はまだよく理解されていません。我々は、主に理論的に、ときには観測データの解析も行いながら、GRBの正体解明を目指しています。

ガンマ線バーストには継続時間の短いものと長いものがあります。継続時間の長いものは、特別な超新星爆発に関連する現象だと考えられています。ところで、宇宙が生まれてから間もない時期（数億年くらい）に生まれた星は超新星爆発を起こすような重い星が多く、これらは GRBを引き起こすと考えられます。GRBはとにかくとても明るい現象なので、GRBはたとえ宇宙の果てで発生したとしても観測できてしまいます。地球から遠く離れれば離れるほど、それははるか昔に起こった天体現象なので、いままでに検出された GRBやこれから検出される GRBの中には、もしかしたら、宇宙で最初にできた星（ファースト・スター）があるかもしれません。

一方で、継続時間の短い GRB は、中性子星2つがペアとなった連星中性子星や、ブラックホールと中性子星の連星が合体する際に発生すると考えられています。このときに中性子星やブラックホールといった強い重力場が激しく変動するときには、重力波というものが放射されます。これは、アインシュタインの一般相対性理論で予言された時空のさざ波で、2017年8月に史上初めてガンマ線バーストと同時に観測され、現在では重力波とガンマ線バーストとの関連を調べる研究が世界中で盛んです。日本でも大型低温重力波望遠鏡「KAGRA」が稼働していますが、我々も KAGRA チームに参加し、重力波のデータ解析や運用作業に携わっています。とくに、ガンマ線バーストに伴う重力波が検出されればガンマ線バーストの理解が進むと期待しています。

太陽のように自ら輝く恒星が継続的に生まれる過程、つまり、星形成過程は現代天文学・宇宙物理学のほぼ全ての分野に及ぶ未解決問題です。星形成過程を理解することができれば、銀河および宇宙全体の進化や様々な天体形成・天体現象の発生頻度がわかります。例えば小質量星の形成頻度は地球型惑星の誕生頻度を決め、大質量星の形成頻度は超新星爆発や重力波イベントなどの高エネルギー天体現象の発生頻度を決めます。どの質量の星がどのような頻度で形成されるか、つまり、誕生する星の質量頻度分布（初期質量関数）は未だ十分に理解されておらず、この起源を理解することは現代天文学の重要課題となっています。近年の観測により、分子雲中のフィラメント状の高密度領域が星形成の現場であることが明らかになってきました。フィラメントの線質量頻度分布関数は初期質量関数と類似しており、フィラメントの形成・進化過程を明らかにすることは初期質量関数の起源解明につながると期待されます。これらの物理過程について、磁気流体力学シミュレーションを行いながら、フィラメントの形成と進化を調べています。これにより、星の誕生を明らかにしようとしています。

当然ながら地球から遠くはなれた超新星残骸などの天体には行くことができません。そのため、それらの天体現象を明らかにする手段は、天体の放つ電磁波（電波、可視光、X線、ガンマ線など）やニュートリノ、重力波を観測することに限られます。しかし、限られた情報からすべてを解明するのは難しい場合が多いのです（だからこそ楽しいのではあるが）。ならば地球上に宇宙と同じものを作ってしまえば、自分たちで条件もコントロールできるし、天文観測とは桁違いに豊富なデータが得られて良いではないか！というのが実験室宇宙物理学という新しい学問分野です。例えば地上に大型レーザーを用いて希薄プラズマ中にできる衝撃波を作ることを目指した研究が行われており、我々もこの実験に参加しています。得られた実験データをもとに、ガンマ線バーストや超新星残骸での宇宙線粒子加速のメカニズムを解明することを目指しています。