[論文レビュー] Gravitational Wave Signals from Two-Dimensional Core-Collapse Supernova Models with Rotation and Magnetic Fields

Rylan Jardine, J. Powell+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ニュートリノ放射流体力学を用いて、回転と磁場を有する2次元コアコリプス超新星モデルからの重力波（GW）信号を調査した。急速な回転と強い磁場（最大10¹² G）は、GW放射の時間周波数構造を顕著に変化させ、標準的な解析的周波数関係を破壊し、磁気回転爆発では高振幅の尾信号といった特徴的なシグネチャを生じさせるが、検出可能性は非磁化モデルと同等のままである。

ABSTRACT

We investigate the impact of rotation and magnetic fields on the dynamics and gravitational wave emission in 2D core-collapse supernova simulations with neutrino transport. We simulate 17 different models of $15\,M_\odot$ and $39\,M_\odot$ progenitor stars with various initial rotation profiles and initial magnetic fields strengths up to $10^{12}\, \mathrm{G}$, assuming a dipolar field geometry in the progenitor. Strong magnetic fields generally prove conducive to shock revival, though this trend is not without exceptions. The impact of rotation on the post-bounce dynamics is more variegated, in line with previous studies. A significant impact on the time-frequency structure of the gravitational wave signal is found only for rapid rotation or strong initial fields. For rapid rotation, the angular momentum gradient at the proto-neutron star surface can appreciably affect the frequency of the dominant mode, so that known analytic relations for the high-frequency emission band no longer hold. In case of two magnetorotational explosion models, the deviation from these analytic relations is even more pronounced. One of the magnetorotational explosions has been evolved to more than half a second after the onset of the explosion and shows a subsidence of high-frequency emission at late times. Its most conspicuous gravitational wave signature is a high-amplitude tail signal. We also estimate the maximum detection distances for our waveforms. The magnetorotational models do not stick out for higher detectability during the post-bounce and explosion phase.

研究の動機と目的

• 回転と磁場がコアコリプス超新星の力学的挙動および重力波（GW）放射に与える影響を理解すること。
• 最大10¹² Gの強い磁場と急速な回転が、シャockの再生と爆発成功に与える影響を評価すること。
• 磁気回転条件下における、後反発期のGW周波数に関する既存の解析的関係からの逸脱を調査すること。
• 現在および将来の検出器を用いて、これらのモデルからのGW信号の最大検出距離を推定すること。
• 磁気回転爆発と標準的なニュートリノ駆動爆発を区別できる、特徴的なGWシグネチャ（例：尾信号）を同定すること。

提案手法

• 15 M⊙および39 M⊙の前身星を用いて、初期回転プロファイルと磁場強度を変化させた17体の2次元コアコリプス超新星モデルをシミュレートした。
• 前身星に双極子磁場幾何学を適用し、コアバウンスから500 msを超える時間にわたり、ニュートリノ放射流体力学を用いてモデルを進化させた。
• GWスペクトログラムにおける振動モードの性質を特定するために、線形固有モード解析を実施し、特にfモードおよびgモードに注目した。
• 急速な回転または強い磁化下での、GW信号の時間周波数構造を、既知のf/gモード周波数に関する解析的関係と比較した。
• シミュレートされた波形と信号対雑音比の検討を基に、Advanced LIGOおよびEinstein Telescopeにおける最大検出距離を推定した。
• 物質およびGW信号の分析を通じて、磁気回転爆発における高振幅の尾信号など、非対称放射の特徴を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場と急速な回転は、2次元コアコリプス超新星モデルにおけるシャックの再生と爆発力学にどのように影響するか？
• RQ2 回転と磁場は、GW放射における主要なf/gモード周波数に関する標準的な解析的関係をどの程度破壊するか？
• RQ3 磁気回転爆発モデルでは、時間周波数領域においてどのような特徴的な重力波シグネチャが生じるか？
• RQ4 異なる前身星質量および磁場／回転条件における、GW信号の振幅およびエネルギー含量はどのように比較されるか？
• RQ5 現在の検出器（Advanced LIGO）および将来の検出器（Einstein Telescope）を用いた場合、これらのGW信号の最大検出距離はどの程度か？

主な発見

• 強い磁場は一般的にシャックの再生を促進するが、例外もあり、磁場は後反発期の力学的挙動を顕著に変化させる。
• 急速な回転は、原始中性子星表面における角運動量勾配を増加させ、主要なf/gモード周波数を最大20%まで上昇させ、標準的な解析的周波数関係を無効にする。
• 磁気回転爆発モデルでは、高周波数帯域の放射が標準的な関係から著しく逸脱し、単一の支配的モードが持続する傾向があり、おそらく修正されたf/gモードであると考えられる。
• 15 M⊙の磁気回転爆発モデルでは、500 msを超えて進化した段階で、高周波数帯域の放射が減衰し、顕著な高振幅の尾信号がGW波形に現れた。
• 推定された最大検出距離は、Advanced LIGOでは数10 kpcから140 kpc、Einstein Telescopeでは0.6–2.6 Mpcの範囲であり、磁気回転モデルに顕著な検出可能性の優位性は認められなかった。
• 39 M⊙の磁気回転爆発は、ローカル団内全域で検出可能であり、100年間に1回の割合でハイパーノバをGWで観測できる可能性がある（約10%の確率）。