[論文レビュー] Gravitational-Wave Signatures in Magnetically-driven Supernova Explosions

Tomoya Takiwaki, Kei Kotake|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、現実的な状態方程式とニュートリノ冷却を組み込んだ2次元特殊相対論的MHDシミュレーションを用いて、磁場駆動型超新星爆発における重力波（GW）シグナルを調査した。2種類の異なるGW波形タイプ（上昇型とキャンセル型）を特定し、エネルギー的MHD爆発（約10⁵¹ erg）に関連する上昇型は、次世代の重力波望遠鏡（advanced LIGOやLCGT）において高い検出可能性を示す。

ABSTRACT

Based on a series of two-dimensional, special relativistic magnetohydrodynamic (MHD) simulations of the rotational core-collapse of massive stars, we study the gravitational-wave signatures in the magnetically driven supernova explosion. Pushed by the outcome in recent stellar evolution calculations, we choose to take the precollapse magnetic field less than $10^{12}$ G. By changing the initial field strength and angular momentum distribution parametrically, we compute 12 models. As for the microphysics, a realistic equation of state is employed and the neutrino cooling is taken into account via a multiflavor neutrino leakage scheme. With these computations, we find that the obtained waveforms are categorized into two, which we call as the increasing type or cancellation type. In the increasing type, the total wave amplitudes show almost a monotonic increase after bounce, which is akin to the type IV waveform in the previous work. While in the cancellation type, the total amplitudes after bounce stays almost zero, because the contribution from the magnetic fields cancels with the one from the hydrodynamic counterpart. By utilizing the newly derived formula, these features can be clearly understood with the analysis on the explosion dynamics. The obtained gravitational-wave signals both for the two types are marginally within the detection limits of the currently running detector of the first LIGO and the detection seems more feasible for the detectors in the next generation such as LCGT and the advanced LIGO for a Galactic supernova. Our results suggest that the detection is more promising for the increasing type, which can be obtained in models that produce MHD explosions as energetic as $10^{51}$ erg.

研究の動機と目的

• 現実的な微視的物理学を用いて、磁場駆動型核心収縮超新星における重力波シグナルを調査すること。
• 初期磁場強度および角運動量分布が重力波放射に与える影響を特定すること。
• 現在および次世代の重力波望遠鏡によるこれらの重力波シグナルの検出可能性を評価すること。
• シミュレーションで観測された明確に異なるGW波形形態の分類および物理的起源を理解すること。

提案手法

• 回転する大質量星の核崩壊を2次元特殊相対論的磁気流体力学（MHD）シミュレーションで実行する。
• ニュートリノ冷却をモデル化するために、現実的な状態方程式とマルチフレーバーニュートリノ漏れスキームを採用する。
• 10¹² G未満の初期磁場強度と12のモデルで変動する角運動量分布を系統的に変更する。
• 磁場的および流体力学的寄与の寄与を分解することで、重力波放射を分析する。
• 新たに導出された解析的公式を用いて、波形タイプの背後にある物理的メカニズムを解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期磁場強度および角運動量分布の変動が、磁場駆動型超新星における重力波放射にどのように影響を与えるか？
• RQ2 2種類の明確に異なる重力波波形タイプ（上昇型とキャンセル型）が生じる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 このような爆発からの重力波シグナルは、現在および将来の検出器によってどの程度検出可能か？
• RQ4 MHD駆動型超新星モデルにおいて、検出可能な重力波振幅を生じさせる条件は何か？

主な発見

• 重力波波形は、バウンス後の振幅の時間的変化に基づき、2種類に分類される：上昇型とキャンセル型。
• 上昇型では、バウンス後に振幅が単調に増加し、先行研究のタイプIV波形に類似している。
• キャンセル型では、磁場的寄与と流体力学的寄与の破壊的干渉のため、振幅がほぼゼロのままである。
• 上昇型は、エネルギー約10⁵¹ ergのMHD爆発に関連しており、次世代検出器による検出がより容易である。
• 現在のLIGO検出器ではわずかに検出可能であるが、advanced LIGOおよびLCGTでは銀河系超新星の検出に著しく優れた可能性を示している。
• 2種類の波形タイプの物理的起源は、新たに導出された公式を用いた爆発ダイナミクスの分析により明確に説明されている。