[論文レビュー] Colliding neutron stars --- Gravitational waves, neutrino emission, and gamma-ray bursts

M. Ruffert, H.‐T. Janka|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、重力波およびニュートリノ放射を伴う3次元ニュートン流体力学的シミュレーションを用いて、衝突する中性子星の頭破り衝突および非中心衝突をモデル化した。ニュートリノの放射効率は極めて高く（約4×10⁵⁴ erg/s）、ニュートリノ-反ニュートリノ対消滅によるエネルギー効率も1%に達し、10 ms以内に約10⁵⁰ ergのエネルギーがe⁺e⁻対に放出された。しかし、過剰なバリオン負荷（10⁻¹ M☉）が相対論的拡大を妨げ、このメカニズムがガンマ線バーストの駆動源として実現可能でないことが判明した。

ABSTRACT

Three-dimensional hydrodynamical simulations are presented for the direct head-on or off-center collision of two neutron stars, employing a basically Newtonian PPM code but including the emission of gravitational waves and their back-reaction on the hydrodynamical flow. A physical nuclear equation of state is used that allows us to follow the thermodynamical evolution of the stellar matter and to compute the emission of neutrinos. Predicted gravitational wave signals, luminosities and waveforms, are presented. The models are evaluated for their implications for gamma-ray burst scenarios. We find an extremely luminous outburst of neutrinos with a peak luminosity of more than 4E54 erg/s for several milliseconds. This leads to an efficiency of about 1% for the annihilation of neutrinos with antineutrinos, corresponding to an average energy deposition rate of more than 1E52 erg/s and a total energy of about 1E50 erg deposited in electron-positron pairs around the collision site within 10ms. Although these numbers seem very favorable for gamma-ray burst scenarios, the pollution of the $e^\pm$ pair-plasma cloud with nearly 0.1$M_{\odot}$ of dynamically ejected baryons is 5 orders of magnitude too large. Therefore the formation of a relativistically expanding fireball that leads to a gamma-ray burst powered by neutrino emission from colliding neutron stars is definitely ruled out.

研究の動機と目的

• 中性子星衝突時の重力波およびニュートリノの力学的挙動と放射を調査すること。
• ニュートリノ-反ニュートリノ対消滅による中性子星衝突がガンマ線バーストの駆動源として実現可能かどうかを評価すること。
• バリオン負荷およびエネルギーの沈殿が相対論的フレイムボール形成を制限する役割を評価すること。
• 衝突後の環境におけるニュートリノエネルギー沈殿効率およびそれによるフレイムボールの性質を定量すること。

提案手法

• 自己一貫的な重力波放射と反作用を伴うニュートン流体差分法（PPM）コードを用いた3次元流体力学的シミュレーション。
• 物性的核状態方程式を組み込み、熱力学的進化およびニュートリノ放射をモデル化。
• 質量および電流四極モーメントに基づき、重力波波形および放射効率を計算。
• 衝突中のニュートリノ放射効率、平均エネルギー、全放射エネルギーを計算。
• ニュートリノ-反ニュートリノ対消滅の効率およびe⁺e⁻対へのエネルギー沈殿を推定。
• 動的噴出およびニュートリノ駆動風に起因するバリオン負荷がフレイムボールの相対論的拡大に与える影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接の中性子星衝突から予想される重力波信号および放射効率はどのようなものか？
• RQ2 ニュートリノバーストの放射効率はどの程度で、エネルギーと時間スケールは何か？
• RQ3 ニュートリノ-反ニュートリノ対消滅が、ガンマ線バーストを駆動するのに十分なエネルギーと相対論的性質を持つフレイムボールを生成できるか？
• RQ4 この状況下で、バリオン汚染が相対論的フレイムボール形成をどの程度妨げるか？
• RQ5 動的噴出およびニュートリノ駆動風は、このガンマ線バーストモデルの実現可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ピークニュートリノ放射効率は4×10⁵⁴ erg/sに達し、数ミリ秒の間に全放射エネルギーが約10⁵² ergに達する。
• ニュートリノ-反ニュートリノ対消滅の効率は約1%であり、10 ms以内に約10⁵⁰ ergのエネルギーがe⁺e⁻対に沈殿される。
• 重力波の歪みは1 Gpcの距離でh_max ≈ 2–4×10⁻²³に達し、次世代の干渉計の感度限界に近い。
• 非中心衝突では、四極モーメントが大きく、発光持続時間が長くなる（1000–2000 Hzで10–20周期）ため、より強い重力波が発生する。
• 衝突残渣は約0.1 M☉の動的噴出バリオンに汚染されており、相対論的フレイムボールの形成には5桁も過剰である。
• 結果として得られるペアプラズマクラウドのローレンツ因子はわずか約10⁻³であり、ガンマ線バースト生成に必要な値とは著しく低い。