[論文レビュー] Early evolution of newly born proto-neutron stars

Giovanni Camelio|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 101被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、核縮重超新星で形成される原始中性子星（PNS）の初期進化を、中性子放射輸送、状態方程式（EoS）効果、およびケルビン＝ヘルムホルツ期における重力波（GW）放射に焦点を当てて調査している。相対論的星構造（TOV）方程式、詳細なバランスを考慮した中性子放射輸送、および準正規モード解析を用いて、PNSの冷却、レプトンの減少、およびGW信号を計算した。その結果、中性子放射駆動によるレプトン減少と熱的進化が、核のEoSおよび中性子放射平均自由行程に強く依存することが示された。

ABSTRACT

A proto-neutron star (PNS) is the first phase of life of a neutron star, and is likely to origin from a core-collapse supernova. After about 200 ms from core-collapse, the PNS evolution may be modeled as a sequence of quasi-stationary configurations. These configurations depend on the PNS thermodynamic profiles, whose evolution largely depends upon the neutrino diffusion. We developed a new PNS evolutionary code that solves by iteration the neutrino number and energy transport equations together with the relativistic stellar structure equations assuming spherical symmetry. The neutrino cross sections are determined consistently with the underlying equation of state (EoS). To include the EoSs in the evolution, we devised and tested a new fitting formula for the interacting part of the baryon free-energy, valid at finite temperature and arbitrary degeneracy. Using our code, we provide estimates for the neutrino signal in the Super-Kamiokande III detector and the frequencies of the gravitational waves due to stellar oscillations, for three stellar masses and three nucleonic EoSs. For the first time we evolve a PNS with a nuclear many-body theory EoS in a consistent way, that is, we take into account realistic nuclear interactions in the computation of the neutrino cross sections. By including rotation in an effective way, we have also determined the time variation of the rotation frequency due to PNS contraction and neutrino angular momentum loss, and the gravitational wave signal due to rotation. We find that the mass shedding limit restricts the initial angular momentum. Consequently, the final rotation frequency has to be smaller than about 300 Hz for a PNS of about 1.6 solar masses whose EoS is described by the GM3 mean-field model.

研究の動機と目的

• ケルビン＝ヘルムホルツ期における原始中性子星（PNS）の初期、準安定状態の進化を、熱的およびレプトン的進化に焦点を当ててモデル化すること。
• LS-bulk、GM3、CBF-EIを含む異なる核状態方程式（EoS）が、中性子放射輸送およびPNS冷却に与える影響を調査すること。
• 地上検出器で期待される中性子放射信号を計算すること、特にSN 1987Aの文脈と今後の検出可能性を含めて。
• 摂動理論および準正規モード解析を用いて、PNSの振動および回転不安定性に起因する重力波放射を調査すること。
• 中性子放射の逆反応および詳細なバランスが、中性子放射輸送における役割を評価すること、特に不透明から透明への遷移において。

提案手法

• PNSの静的平衡状態を、準安定状態の系列としてモデル化するため、Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程式を解く。
• 半経験的および厳密に導かれた輸送方程式を用いて中性子放射輸送を実装し、パウリの禁制およびフェルミ＝ディラック統計を組み込む。
• 複数の状態方程式（LS-bulk、GM3、CBF-EI）を用い、バリオンのEoSの適合式を導出し、EoS依存性を検討する。
• 詳細なバランスおよび逆反応形式（式C.4を介して）を用いて、全中性子放射断面積を計算し、吸収および放出過程を考慮する。
• 星の摂動理論を用いてPNSからの重力波放射を解析し、準正規モードの周波数および減衰時間を計算する。
• ハートル＝トーン形式を用いてゆっくり回転を組み込み、回転進化および回転に起因する重力波放射を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 状態方程式（EoS）の選択が、ケルビン＝ヘルムホルツ期における原始中性子星の熱的およびレプトン的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 地上検出器におけるPNSからの期待される中性子放射信号は何か？ また、EoSおよび中性子放射平均自由行程にどのように依存するか？
• RQ3 PNSの準正規モードおよび回転不安定性に起因する重力波放射の特徴は何か？
• RQ4 逆中性子放射反応が、PNSコアにおける全中性子放射透過率およびエネルギー輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ5 温度が約5 MeVで不透明性から透明性への遷移（T ~ 5 MeV）が、PNSの進化および最終的な中性子星の性質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• PNSは数十秒にわたり冷却およびレプトン減少を経験するが、その速度は核のEoS、特に中性子放射平均自由行程に強く依存する。
• 温度が約5 MeV未満に低下すると中性子放射の放出が透明化し、PNS段階の終焉および成熟した中性子星の誕生を示す。
• 地上検出器における中性子放射信号はEoSに敏感であり、LS-bulk、GM3、CBF-EIモデル間でスペクトル形状および全エネルギー放出に差が見られる。
• PNSの準正規モードに起因する重力波放射はfモード帯で最も強く、周波数は1–3 kHzの範囲にあり、減衰時間はEoSに応じて約10–100 msの範囲にわたる。
• 回転効果によりrモード不安定性に起因する重力波放射が増幅され、近くの超新星で急速に回転するPNSでは検出可能な振幅が得られる可能性がある。
• 詳細なバランス（式C.8）による逆反応の組み込みにより、輸送モデルにおけるエネルギーおよびレプトン数の保存が確保され、中性子放射不透明域における精度が向上した。