[論文レビュー] Explosive Combustion of a Neutron Star into a Quark Star: the non-premixed scenario

Rachid Ouyed, Brian Niebergal+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、拡散する strange クォークが反応フロントを駆動する非混合炎燃焼メカニズムを通じて、中性子星物質が strange クォーク物質へ爆発的に燃焼する過程を調査している。反応拡散結合とニュートリノ放射を含む1次元流体力学的シミュレーションを用い、炎の速度が最大で約0.01cに達することを明らかにした。また、新たな脱レプトン不安定性が特定され、これが炎燃焼から爆発的燃焼への転移を引き起こす可能性がある。quark-nova 爆発の有効な経路を示唆している。

ABSTRACT

We review aspects of the hydrodynamical combustion of nuclear matter to strange quark matter in a neutron star. Numerical studies on non-premixed combustion that consistently include hydrodynamical flows in a reactive-diffusive setup show that in 1D, the conversion (burning) front moves at sub-sonic speeds. Although the front eventually comes to a halt (in the star's reference frame), it still has ud matter falling onto it, and so is capable of converting the rest of the star. However, in the process, we also find that neutrino cooling of the interface causes it to wrinkle, laying a platform for a deflagrative-to-detonative transition (DDT). We outline progress on improvements in the burning code (Burn-UD: http://quarknova.ucalgary.ca/software/Burn-UD/) that will ultimately reveal the mechanism that can explode the outermost layers of even a dense compact object like a neutron star.

研究の動機と目的

• 非混合燃焼フレームワークを用いて、中性子星における中性子物質から strange クォーク物質への相転移をモデル化すること。
• この転移が爆発的エネルギー放出を引き起こす可能性があり、quark-nova 現象を説明できるかどうかを調査すること。
• ニュートリノ放射と拡散が炎の速度と安定性をどのように制御するかを評価すること。
• 炎燃焼が爆発的燃焼に転移する条件を特定し、全恒星の破壊を可能にするものとする。
• 将来の多次元的非混合燃焼研究のための公開可能なシミュレーションフレームワーク（Burn-UD）を提供すること。

提案手法

• 反応、拡散、流体力学を結合する1次元流体力学コード（Burn-UD）を用いた数値的シミュレーション。
• 燃焼フロントを通過する際に発生するハドロンからクォークへの変換に伴うエネルギー放出とニュートリノ放射を組み込み。
• strange クォーク物質およびハドロン物質の状態方程式を記述するために MIT 袋モデルを用いる。
• 純粋に圧力駆動の流れを仮定するのではなく、温度およびニュートリノ効果を含めた修正された界面条件を適用。
• 未燃焼の中性子物質と燃焼済みの strange クォーク物質の界面を、熱的拡散ではなく strange クォーク拡散によって支配されるようにモデル化。
• 冷却およびニュートリノ損失の影響を含めたさまざまな条件下での炎速度と安定性の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子物質が strange クォーク物質へ非混合メカニズムを通じて爆発的に燃焼することができるか？
• RQ2 このような転移における最大の炎速度は何か？ また、相対論的値に近づくか？
• RQ3 ニュートリノ放射および冷却が炎燃焼フロントの安定性と伝播にどのように影響するか？
• RQ4 この系において、炎燃焼から爆発的燃焼への転移を引き起こす物理的メカニズムが存在するか？
• RQ5 非混合燃焼モデルにおいて、混合燃焼モデルと比較して拡散および反応速度論が燃焼速度をどの程度制限するか？

主な発見

• シミュレーションにより、炎速度が最大で約0.01cに達することが判明し、これは高エネルギーで急速な相転移を示している。
• 新たな脱レプトン不安定性が特定され、これが炎燃焼フロントを不安定化させ、結果として爆発的燃焼への転移を引き起こす可能性がある。
• ニュートリノ放射は界面における温度プロファイルおよび界面条件を顕著に変化させ、理想化されたモデルと比較して炎速度を1桁未満に低下させるが、依然として高いエネルギー放出を示す。
• 熱的 ignitions ではなく strange クォーク拡散によって支配される非混合燃焼の性質は、遅いが物理的により正確な炎の伝播をもたらす。
• 結果から、爆発的燃焼または崩壊物の再衝撃によるコアバウンス爆発が、第二の高エネルギー放出を引き起こす可能性があり、quark-nova 偽説を支持する。
• Burn-UD コードは、密度の高い物質における非混合燃焼の将来の多次元的シミュレーションのためのモジュラー・ツールとして公開された。