[論文レビュー] Gravitational Wave Signatures of Ab Initio Two-Dimensional Core Collapse Supernova Explosion Models for 12-25 Solar Masses Stars

Konstantin N. Yakunin, Anthony Mezzacappa+10 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、完全な多周波数中性子放射輸送、相対論的流体力学、自己自己一貫した爆発ダイナミクスを備えたChimeraコードを用いて、12–25 M⊙の星の核心崩壊超新星からのab initio 2次元重力波(GW)シグナルを提示する。4段階のGW時間発展—即時、静穏、対流/SASI駆動の不規則なバースト、および降着終了後の尾部—を明らかにし、GWエネルギーとピーク周波数が原始星質量と爆発形態に強く依存することを示し、AdvLIGOによる検出可能な信号が全質量範囲で得られることを示している。

ABSTRACT

We present the gravitational waveforms computed in ab initio two-dimensional core collapse supernova models evolved with the Chimera code for progenitor masses between 12 and 25 solar masses. All models employ multi-frequency neutrino transport in the ray-by-ray approximation, state-of-the-art weak interaction physics, relativistic transport corrections such as the gravitational redshift of neutrinos, two-dimensional hydrodynamics with the commensurate relativistic corrections, Newtonian self-gravity with a general relativistic monopole correction, and the Lattimer-Swesty equation of state with 220 MeV compressibility, and begin with the most recent Woosley-Heger nonrotating progenitors in this mass range. All of our models exhibit robust explosions. Therefore, our waveforms capture all stages of supernova development: 1) a relatively short and weak prompt signal, 2) a quiescent stage, 3) a strong signal due to convection and SASI activity, 4) termination of active accretion onto the proto-neutron star, and 5) a slowly increasing tail that reaches a saturation value. Fourier decomposition shows that the gravitational wave signals we predict should be observable by AdvLIGO for Galactic events across the range of progenitors considered here. The fundamental limitation of these models is in their imposition of axisymmetry. Further progress will require counterpart three-dimensional models, which are underway.

研究の動機と目的

• 12–25 M⊙の原始星に対して、完全な物理的リアリズムを備えたab initio 2次元核心崩壊超新星モデルからの重力波形を計算すること。
• 原始星質量と爆発形態がGW振幅、周波数、およびエネルギー放射に与える影響を調査すること。
• バウンス以降の全期間、特に降着終了および尾部フェーズを含めた、GWシグナルの特徴付けを拡張すること。
• 現在および次世代の検出器（例：AdvLIGO）によるこれらのGWシグナルの検出可能性を評価すること。
• 軸対称モデルの限界を特定し、将来の3次元シミュレーションによる完全な偏光成分を含む必要性を動機づけること。

提案手法

• 2次元、多周波数中性子放射輸送をray-by-ray近似で用いたChimeraコードによるシミュレーション。
• 最新の弱い相互作用物理学、相対論的補正（例：中性子の重力赤方偏移）および一般相対性理論の単極補正を施したニュートン的自己重力。
• 220 MeVの圧縮率を有するLattimer–Swesty状態方程式と、12–25 M⊙範囲のWoosley–Heger非回転原始星を用いた。
• バウンス後1秒以上にわたるGW歪みおよび周波数スペクトルの全時間的発展を追跡。
• アドバンスドLIGOによる検出可能性の評価およびスペクトル的特徴の分析のため、波形のフーリエ分解を実施。
• 原始星質量および爆発形態（楕円体形対比球形）の異なるモデル間で比較し、主な依存関係を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 12–25 M⊙の核心崩壊超新星からの重力波シグナルは、ab initio 2次元モデルにおいて時間とともにどのように変化するか？
• RQ2 GWエネルギー放射およびピーク周波数は、原始星質量および爆発形態にどのように依存するか？
• RQ3 即時、静穏、不規則なバースト、尾部を含む4段階のGW発展—即時、静穏、不規則なバースト、尾部—が自己自己一貫したモデルでしっかり捉えられるか？
• RQ4 これらのGWシグナルは、検討された原始星質量範囲全域において、アドバンスドLIGOによって検出可能か？
• RQ5 軸対称仮定は、将来の3次元シミュレーションと比較して、現在のGW波形モデルの予測力にどの程度制限をもたらすか？

主な発見

• 全モデルが強力な爆発を示し、4段階のGW発展（即時（弱）、静穏（30–50 ms）、対流/SASI駆動の不規則なバースト、降着終了後の尾部）を完全に捉えることが可能であった。
• 降着が原始中性子星に停止すると、GW信号のピーク周波数は単調に低下し、波形およびスペクトルに明確に現れる。
• GWエネルギースペクトルにおけるピーク周波数は原始星質量と逆相相関を示すが、全GWエネルギー放射は質量および爆発形態の両方に依存する。
• 楕円体形爆発形態（B12-WH07、B15-WH07、B25-WH07）のモデルでは、原始星質量が増加するにつれてGWエネルギーが増加するが、より球形のB20-WH07モデルでは著しくエネルギーが小さい。
• GWエネルギー放射はバウンス後400–700 msまで飽和せず、遅延したダイナミクスがエネルギー出力の主因であることを示している。
• フーリエ分解により、予測されたGWシグナルが全12–25 M⊙の原始星範囲において、銀河系超新星イベントでアドバンスドLIGOによって観測可能であることが確認された。