[論文レビュー] Coalescing neutron stars -- a step towards physical models. II. Neutrino emission, neutron tori, and gamma-ray bursts

M. Ruffert, Janka, H. -Th.+2 more|ArXiv.org|Jun 30, 1996

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 66

ひとこと要約

本研究は、等質量の中性子星の合体を3次元ニュートン流体ダイナミクスシミュレーションで解析し、ニュートリノ放射および$\oldebar{\olde}$-結合生成を調査した。ピーク時のニュートリノ放射率は$1-1.5 \times 10^{53}$ erg/sに達し、その90–95%が中心部の$\sim 3\,M_\odot$の高温・高質量トーラスから発生する。高エネルギー堆積率（$3-4 \times 10^{50}$ erg/s）にもかかわらず、$\oldebar{\olde}$-結合生成による全エネルギーは、宇宙論的ガンマ線バーストを駆動するのに必要な量の約1000分の1にとどまり、ジェットビーミングや追加の降着トーラス寄与を考慮しない限り、十分ではない。

ABSTRACT

Three-dimensional hydrodynamical, Newtonian calculations of the coalescence of equal-mass binary neutron stars are performed, including a physical high-density equation of state and a treatment of the neutrino emission of the heated matter. The total neutrino luminosity climbs to a maximum value of 1--$1.5\cdot 10^{53}$~erg/s of which 90--95\% originate from the toroidal gas cloud surrounding the very dense core formed after the merging. When the neutrino luminosities are highest, $ν\barν$-annihilation deposits about 0.2--0.3\% of the emitted neutrino energy in the immediate neighborhood of the merger, and the maximum integral energy deposition rate is 3--$4\cdot 10^{50}$~erg/s. Since the $3\,M_{\odot}$ core of the merged object will most likely collapse into a black hole within milliseconds, the energy that can be pumped into a pair-photon fireball is insufficient by a factor of about 1000 to explain $γ$-ray bursts at cosmological distances with an energy of the order of $10^{51}/(4π)$~erg/steradian. Analytical estimates show that the additional energy provided by the annihilation of $ν\barν$ pairs emitted from a possible accretion torus of $\sim 0.1\,M_{\odot}$ around the central black hole is still more than a factor of 10 too small, unless focussing of the fireball into a jet-like expansion plays an important role. About $10^{-4}$--$10^{-3}$~$M_\odot$ of material lost during the neutron star merging and swept out from the system in a neutrino-driven wind might be a site for nucleosythesis. Aspects of a possible r-processing in these ejecta are discussed.

研究の動機と目的

• 実際の状態方程式を用いて、二重中性子星の合体における流体ダイナミクスとニュートリノ放射をモデル化すること。
• $\noldebar{\nolde}$-結合生成によるガンマ線バースト駆動の可能性を、エネルギー堆積率の推定を通じて評価すること。
• 予想されるエネルギー出力と観測されたバースト放射率を比較することで、中性子星合体が宇宙論的ガンマ線バーストの源として現実的かどうかを評価すること。
• 中性子過剰な噴出物および降着トーラスの形成と性質を調査し、核合成および相対論的フレイバルブのバリオン汚染への影響を検討すること。

提案手法

• 等質量の中性子星の合体を3次元流体ダイナミクスシミュレーションでモデル化し、ピースワイズ・パラボリック法（PPM）を用いた。
• 中性子星物質の記述とニュートリノ放射計算を可能にするために、Lattimer & Swesty（1991）の状態方程式を導入した。
• 合体後の段階における$\nu_e$、$\bar{\nu}_e$、$\nu_x$の各種のニュートリノの放射率と平均エネルギーを計算した。
• ニュートリノスペクトルと空間分布を用いて、合体物体周辺における$\nolde\bar{\nolde}$-結合生成によるエネルギー堆積率を評価した。
• 全エネルギーが$\nolde\bar{\nolde}$-結合生成から得られる量を解析的に推定し、宇宙論的ガンマ線バーストに必要な$10^{51}$ erg/ステラジアンと比較した。
• 動的噴出およびニュートリノ駆動風によるバリオン汚染の程度を評価し、相対論的フレイバルブ形成への影響を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\nolde\bar{\nolde}$-結合生成によるエネルギーが、宇宙論的ガンマ線バーストを駆動するのに十分な放射率を発生させ得るか。
• RQ2 合体後の段階で発生するピーク時のニュートリノ放射率と平均エネルギーはどれくらいで、空間的にどのように分布しているか。
• RQ3 合体直後の領域における$\nolde\bar{\nolde}$-結合生成によるエネルギー堆積量はどの程度で、それが相対論的フレイバルブの形成に十分か。
• RQ4 噴出物の質量と組成は何か。バリオン汚染は相対論的フレイバルブモデルの妥当性にどのように影響するか。
• RQ5 追加の合体後降着トーラスまたはジェットビーミングによるエネルギー補填が、$\nolde\bar{\nolde}$-結合生成エネルギーの不足を補うのに有効か。

主な発見

• 全ニュートリノ放射率は$1-1.5 \times 10^{53}$ erg/sでピークに達し、その90–95%が中心部の$\sim 3\,M_\odot$の高温・高質量トーラス状ガスから発生する。
• ニュートリノの平均エネルギーは、$\nu_e$で約12 MeV、$\bar{\nu}_e$で20 MeV、$\nu_x$で27 MeVであり、$\bar{\nu}_e$の放射率は他の種別よりも3–6倍高い。
• 合体直後の領域における$\nolde\bar{\nolde}$-結合生成によるエネルギー堆積率の最大値は、$3-4 \times 10^{50}$ erg/sに達する。
• 全エネルギーとして$\nolde\bar{\nolde}$-結合生成から得られるエネルギーは、宇宙論的ガンマ線バーストに必要な$\sim 10^{51}$ erg/ステラジアンの約1000分の1にとどまり、不足している。
• 数$10^{-4}\,M_\odot}$の中性子過剰で低エントロピーの物質が動的噴出され、最大で数$10^{-2}\,M_\odot}$の高エントロピー・中性子過剰物質がニュートリノ駆動風によって運ばれる。これは、フレイバルブの相対論的化に著しい脅威をもたらす。
• 可能である降着トーラスにおける$\nolde\bar{\nolde}$-結合生成からのエネルギーは、ジェットビーミングや集光メカニズムを導入しない限り、10倍以上も不足している。