[論文レビュー] Features of Nucleosynthesis and Neutrino Emission from Collapsars

S. Nagataki, Kazunori Kohri|Mar 5, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、崩壊星と通常の核心収縮超新星を区別するための主要な観測的指標として、爆発的核合成およびニュートリノ放出を提案する。非対称核合成は、ジェット駆動による非対称性のため、天の川角に強く依存しており、ニュートリノスペクトルは非熱的で、電子・陽電子捕獲が支配的であり、低密度の放射領域のため高エネルギー尾部が保持されている。本研究では、空間分解能のある化学組成分析が可能な範囲に約5 × (10² – 10⁻³)個のハイパーノバ残骸（HNR）が存在すると推定され、核合成生成物の統計的分析が可能となる。

ABSTRACT

In this study we present two indicators that will reflect the difference between collapsars and normal collapse-driven supernovae. They are products of explosive nucleosynthesis and neutrino emission. In the collapsar model, it is natural to consider that the product of explosive nucleosynthesis depends on the zenith angle because the system becomes highly asymmetric in order to generate a fire ball. We also consider the detectability of the HNRs which is located nearby our Galaxy. As a result, the number of the HNRs is estimated to be 5 $ imes$ ($10^2$ -- $10^{-3}$), whose chemical composition can be spatially resolved. Using the optimistic estimate, more HNRs will be found and it will be possible to discuss on the chemical composition statistically. As for the energy spectrums of neutrinos, they are not thermalized in a collapsar because the density of the accretion disk is much lower than that of a neutron star. The energy spectrums of (anti-)electron neutrinos from hypernovae will be mainly determined by the process of electron (positron) capture on free proton (neutron). It is also noted that high energy tail is not dumped in the case of hypernovae because the density of emitting region is low. Total energy of neutrino from hypernovae will depend on a lot of physical parameters such as total accreting mass and mass accretion rate, which are quite contrary to the situation of the normal collapse-driven supernovae. Therefore there will be a large variety of total neutrino's energies among collapsars. In the case of SN 1998bw, we think that the matter around the equatorial plane might be ejected from the system, which resulted in the formation of relatively weak jets and faint GRB 980425.

研究の動機と目的

• 崩壊星と標準的な核心収縮超新星を区別するための観測可能なシグナルを同定すること。
• 空間分解能のある化学組成分析により、のちに銀河に近いハイパーノバ残骸（HNR）の検出可能性を評価すること。
• 崩壊星からのニュートリノ放出をモデル化し、スペクトル形状と全エネルギーに注目して標準的な超新星と比較すること。
• 楽観的および楽観的でない仮定の下でのHNRのイベントレートとニュートリノ検出の推定を行うこと。

提案手法

• ジェット駆動による非対称性のため、天の川角に依存する非対称な条件下での崩壊星における核合成のモデル化。
• 低密度の降着円盤における自由核子上の電子・陽電子捕獲からのニュートリノエネルギースペクトルの計算。
• 電子捕獲率のT^6依存性を用いて、温度変動に対するニュートリノ放射度の感度を評価すること。
• 観測されたX線発光源（例：NGC 5471B、M101内のMF83）に基づき、銀河への外挿を用いてHNRのイベントレートを推定すること。
• 標準的な超新星と比較して、崩壊星における全ニュートリノエネルギー出力を評価し、降着質量および降着レートに依存することを強調すること。
• スーパーカミオカンデなどの検出器での検出可能性を、楽観的および楽観的でないイベントレート仮定を用いて評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジェット駆動による非対称性のため、崩壊星における核合成生成物の化学組成は、天の川角にどのように依存するか？
• RQ2 崩壊星におけるニュートリノスペクトルの形状と高エネルギー尾部は、何によって決定され、標準的な超新星の熱的スペクトルとはどのように異なるか？
• RQ3 銀河の内部で化学組成が分解能を持って観測可能なハイパーノバ残骸（HNR）の予想数はどのくらいか？
• RQ4 異なる系において、崩壊星における全ニュートリノエネルギー出力はどのように変化し、どのような物理的パラメータがその変動を支配するか？
• RQ5 HNRおよびニュートリノの検出が、タイプIとタイプIIの崩壊星を区別する統計的証拠を提供できるか？

主な発見

• 銀河内部で観測可能なハイパーノバ残骸（HNR）の数は、約5 × (10² – 10⁻³)と推定され、楽観的仮定のもとで化学組成の統計的分析が可能となる。
• 崩壊星における核合成生成物は、ジェット駆動による極めて強い非対称性のため、天の川角に強く依存しており、空間分解能のある化学マッピングが可能となる。
• 崩壊星におけるニュートリノエネルギースペクトルは非熱的で、自由核子上の電子・陽電子捕獲が支配的であり、低密度放射領域のため高エネルギー尾部が保持されている。
• 標準的な超新星とは異なり、崩壊星における全ニュートリノエネルギー出力は、降着レートおよび全質量に強く依存するため、系ごとに著しく変動する。
• スーパーカミオカンデでの崩壊星ニュートリノ検出イベントレートは、楽観的仮定のもとで年間約5 × 10⁻²に達する可能性があり、これは核心収縮超新星の検出レートと同等である。
• SN 1998bwとGRB 980425の事例は、弱いジェット状態を示しており、赤道方向の物質噴出がジェット出力を制限し、低エネルギーのGRBと、球対称仮定下での高エネルギー爆発をもたらしていると考えられる。