[論文レビュー] Mass ejection in neutron star mergers

Stephan Rosswog, M. Liebendörfer+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 152

ひとこと要約

本研究では、Lattimer-Swesty状態方程式（LS-EOS）を用いた3次元ニュートン的SPHシミュレーションを用いて中性子星合体をモデル化し、0.004～0.04太陽質量の物質が脱結合することが判明した。主な要因は、核結合エネルギーの放出と共回転配置における断熱指数の上昇に起因する爆発的膨張である。結果から、中性子星合体は銀河内におけるr過程核合成の主要な場である可能性が示唆される。

ABSTRACT

We present the results of 3D Newtonian SPH simulations of the merger of a neutron star binary. The microscopic properties of matter are described by the physical equation of state of Lattimer and Swesty (LS-EOS). To test for the robustness of our results we check the sensitivity to the approximations of our model as well as to the binary system parameters. The main and new result is that for the realistic LS-EOS, depending on the initial spin, between 4e-3 and 4e-2 solar masses of material become unbound. If, as suggested, large parts of this matter consist of r-process nuclei, neutron star mergers could account for the whole observed r-process material in the Galaxy.

研究の動機と目的

• 流体力学的シミュレーションを用いて、中性子星合体における質量噴出メカニズムを調査すること。
• 初期条件（スピン、状態方程式、解像度）の変化が質量噴出に与える依存関係を評価すること。
• 脱結合質量とその核成分の定量的評価を通じて、中性子星合体がr過程核合成の場として果たす可能性を評価すること。
• ニュートリノ放出および人工的粘性の役割が、合体のダイナミクスと質量噴出にどのように影響するかを検討すること。

提案手法

• 中性子星物質にLattimer-Swesty状態方程式（LS-EOS）を用いた3次元スムージング粒子流体力学（SPH）シミュレーションを実施。
• 熱力学的一致性を確保するため、LS-EOS（バージョン2.7）を表形式で使用し、密度153点、内部エネルギー121点、電子分率25点のデータを用いた。
• 計算コストの高い熱力学的一致性を持つスキームを避けるために、EOSテーブル内での線形補間を用いて圧力、温度、化学ポテンシャルの差分を計算した。
• フェルミ・ディラック積分と準位の縮重パラメータを用いて、電子および陽電子捕獲過程によるニュートリノ放出率を導入した。
• 初期状態として球対称および共回転平衡配置を用い、初期スピンの影響を評価した。
• 解像度（21,000および50,000粒子）、状態方程式（硬いと軟らかい多相状態）、人工的粘性、重力の逆作用を変化させ、モデルの頑健性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際のLS-EOS条件下で、中性子星合体においてどれくらいの質量が脱結合するのか？
• RQ2 初期星のスピン（共回転対比非回転）が、噴出物質の形状およびダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ3 核結合エネルギーの放出と断熱指数の上昇が、LS-EOS条件下で爆発的質量噴出を駆動する程度はどの程度か？
• RQ4 解像度、状態方程式、ニュートリノ処理の変更が、予測される質量噴出率に与える影響は？
• RQ5 予測された脱結合質量とその核成分を考慮すると、中性子星合体は観測された銀河内r過程元素の質量を説明できるか？

主な発見

• 実際のLattimer-Swesty状態方程式条件下では、初期スピンに応じて、0.004～0.04太陽質量の物質が脱結合する。
• 共回転配置では、低密度物質が渦巻き状の腕を形成し、断熱指数の上昇と核結合エネルギーの放出に起因して爆発的に膨張する。
• 硬い多相状態方程式を用いた場合、噴出物質は狭く明確に定義された形状を保ち、LS-EOSケースで観察された爆発的膨張は見られない。
• 最終的な残渣は、2.5～3.1太陽質量の中心的物体から構成され、ブラックホールへの崩壊が予想される。その周囲には0.1～0.3太陽質量の厚いディスクが存在する。
• 残渣を取り巻く広がった低密度領域は、r過程核合成のための潜在的貯蔵庫であり、特に脱結合質量分率と組み合わせると顕著になる。
• 予測された脱結合質量は、その大部分がr過程核種であると仮定すれば、銀河内に観測される全r過程核物質を説明するのに十分である。