[論文レビュー] Can neutrinos from neutron star mergers power gamma-ray bursts?

H.‐T. Janka, M. Ruffert|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 1995

Nuclear Physics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、中性子星合体の残骸におけるニュートリノ・反ニュートリノ消失が、ガンマ線バーストを駆動できるかどうかを調査している。3次元流体力学的シミュレーションを用い、現実的な状態方程式と重力波の逆作用を組み込んだ結果、ニュートリノエネルギーの沈殿は、最良の条件下でも通常のガンマ線バーストの輝度を説明するのに十分な2–3桁ほど低いことが判明した。

ABSTRACT

We perform three-dimensional hydrodynamical simulations of the coalescence of binary neutron stars. We include the emission and backreaction of gravitational waves into the Newtonian ``Piecewise Parabolic Method''. The use of the physical equation of state of Lattimer & Swesty (1991) allows us to take into account the production of neutrinos. We evaluate our models for the efficiency of neutrino-antineutrino annihilation in the surroundings of the coalescing neutron stars. The corresponding energy deposition prior to and during merging turns out to be 2--3 orders of magnitude too small to power a typical gamma-ray burst with an energy output of about 10^{51}/(4 pi) erg/sterad at cosmological distances. Analytical estimates of the subsequent evolution of the disk which possibly surrounds the central black hole show that even under the most favorable conditions the energy in a fireball of electron-positron pairs and photons that is created by neutrino-antineutrino annihilation falls short by at least an order of magnitude.

研究の動機と目的

• 中性子星合体におけるニュートリノ・反ニュートリノ消失が、ガンマ線バーストを駆動するのに十分なエネルギーを供給できるかどうかを評価すること。
• ニュートリノ生成と重力波フィードバックを含む、現実的な物理的入力を用いた二重中性子星合体の流体力学をモデル化すること。
• 合体後の環境におけるニュートリノ・反ニュートリノ消失によるエネルギー沈殿の効率を評価すること。
• 消失によって生じる火球エネルギーが、通常のガンマ線バーストに必要な10^51 erg/ステララジアンに達するかどうかを特定すること。
• 有利な条件下での合体後降着円盤の進化と火球形成の可能性を分析すること。

提案手法

• ニュートリノ生成と重力波の逆作用を組み込んだニュートン的枠組みにおける、二重中性子星合体の3次元流体力学的シミュレーションを、区分的放物線法（PPM）を用いて実施する。
• 重力波の放射と逆作用を流体力学モデルに組み込む。
• 中性子星物質を正確にモデル化し、ニュートリノ生成を可能にするために、Lattimer & Swesty (1991) の状態方程式を用いる。
• ニュートリノ輸送と放射流体力学を用いて、合体後の領域におけるニュートリノ・反ニュートリノ消失レートとエネルギー沈殿を計算する。
• 円盤環境における消失によって生じる火球エネルギーを評価し、電子・陽電子対および光子生成を含む。
• 最良の仮定のもとで円盤進化と火球エネルギーの解析的推定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重中性子星合体の合体後環境におけるニュートリノ・反ニュートリノ消失は、ガンマ線バーストを駆動するのに十分なエネルギーを生じるか？
• RQ2 合体段階の前後におけるニュートリノ・反ニュートリノ消失によるエネルギー沈殿の効率はいかほどか？
• RQ3 降着円盤内でのニュートリノ・反ニュートリノ消失によって形成される火球の最大エネルギー出力はどの程度か？
• RQ4 重力波フィードバックと現実的な状態方程式は、力学的挙動とニュートリノ生成にどのように影響を与えるか？
• RQ5 最も有利な条件下でも、消失エネルギーは必要なガンマ線バーストの輝度に満たないのか？

主な発見

• 中性子星合体の前後におけるニュートリノ・反ニュートリノ消失によるエネルギー沈殿は、通常のガンマ線バーストに必要な10^51 erg/ステララジアンに対して2–3桁も不足している。
• 最良の仮定のもとでも、ニュートリノ・反ニュートリノ消失によって生成される火球エネルギーは、最低でも1桁以上不足している。
• Lattimer & Swesty 状態方程式を用い、重力波の逆作用を含めたシミュレーションにより、ニュートリノ生成がモデルと物理的に整合していることが確認された。
• 合体後の円盤環境では、ニュートリノ消失によるエネルギーが、観測されたガンマ線バーストの輝度を説明するのに十分ではない。
• 円盤進化の解析的推定から、得られる最大火球エネルギーは、標準的なガンマ線バーストを駆動するのに不十分であることが示された。
• 本研究は、ニュートリノ消失による駆動メカニズムが、中性子星合体由来のガンマ線バーストの主な駆動源である可能性は低いと結論づけた。