[論文レビュー] Collapsars in Three Dimensions

Gabriel Rockefeller, Chris L. Fryer+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、金属欠如の60 M⊙星の3次元崩壊シミュレーションを初めて実施し、降着トーラス内に非軸対称ならせん波不安定性が発生し、拡散的加熱と角運動量輸送が強化されることで、相対論的ジェットを伴わず$10^{52}$ ergのハイパernoVA爆発が生じることを明らかにした。不安定性は強力な重力波信号を生成し、過去の回転モデルと比較して最大15倍の振幅を示すが、1 Mpcの距離ではLIGOでは検出可能でない。

ABSTRACT

We present the results of 3-dimensional simulations of the direct collapse to a black hole of a rotating, 60-solar-mass, zero metallicity, population III star. Because the structure of this star (angular momentum, density and temperature profiles) is similar to many collapsar gamma-ray burst progenitors, these calculations have implications beyond the fate of population III stars. These simulations provide a first 3-dimensional look at a realistic collapsar progenitor, and the results are very different from any previous 2-dimensional calculations. If the angular momentum of the progenitor is high, non-axisymmetric instabilities in the collapsing core cause spiral structures to form, and these structures shape later outflows. These outflows are driven by the imbalance between viscous heating and inefficient neutrino cooling and ultimately develop into a 1e52 erg explosion. Without magnetic fields, this collapse will not produce relativistic jets, but the explosion is indeed a hypernova. We conclude with a discussion of the implications of such calculations on the explosions, nucleosynthesis, neutrino flux and gravitational wave emission from the collapse of massive stars.

研究の動機と目的

• 回転する60 M⊙の第3星族星、つまり妥当なコラプサー前身星の3次元的コア崩壊のダイナミクスを調査すること。
• 降着トーラス内の非軸対称不安定性が角運動量輸送、爆発的噴出流、重力波放射に与える影響を検討すること。
• 大質量星の崩壊における核合成、ニュートリノフラックス、重力波検出可能性への影響を評価すること。

提案手法

• シミュレーションは、KEPLER星の進化コードから得られた1次元前身星を用い、滑らかな粒子力学法（SPH）を用いて3次元的崩壊をモデル化する。
• 初期条件は、現実的な角運動量、密度、温度プロファイルを有する、事前に崩壊する60 M⊙の金属欠如星から直接得られる。
• 簡略化された状態方程式とニュートリノ冷却近似を用いて、中心ブラックホールへの降着を内側安定円軌道まで追跡する。
• 重力波信号は、Fryerら（2004）の形式に基づき、質量運動とニュートリノ放出の非対称性から計算される。
• 核合成産物と非対称性を評価するために、ニュートリノフラックスと電子割合の時間変化を分析する。
• 3次元特有の効果（例えば、らせん波不安定性）を特定するため、2次元軸対称モデルと結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降着トーラス内の3次元的不安定性が、コラプサー崩壊における角運動量輸送と爆発的エネルギー出力にどのように影響するか？
• RQ2 3次元的降着不安定性からの重力波シグナルはどのような特徴を示し、2次元モデルやコア崩壊超新星と比べてどう異なるか？
• RQ3 ニュートリノフラックスの非対称性と電子割合の時間変化が、噴出物の核合成にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 現実的で回転する第3星族星の崩壊が、相対論的ジェットを伴わずハイパernoVA爆発を生じうるか？
• RQ5 現在および先進型LIGO装置が、このようなコラプサーからの重力波をどの程度検出可能か？

主な発見

• 高い角運動量により、降着トーラス内に非軸対称ならせん波不安定性が発生し、拡散的加熱と角運動量輸送が強化される。
• 爆発エネルギーは約$10^{52}$ ergに達し、拡散的加熱と非効率的なニュートリノ冷却の不均衡に起因するハイパernoVAに一致する。
• 急速回転モデルにおける質量運動に起因する重力波振幅は、過去の回転モデルと比較してほぼ15倍強くなり、周波数は100–1000 Hzの範囲にのる。
• ニュートリノ放出の非対称性が生じる重力波信号は、コア崩壊超新星と同等または最大5倍強いが、低イベントレートのため1 Mpcの距離ではLIGOでは検出不可能である。
• 高エネルギーの反ニュートリノの優先的吸収により、噴出物の電子割合が0.5未満に低下する可能性があり、核合成産物が変化する。
• 磁場が存在しない場合、爆発はジェットを形成せず、噴出物は極めて非対称であり、らせん波構造に印加された特徴が反映される。