[論文レビュー] Merging Neutron Stars and Black Holes as Sources of Gamma-Ray Bursts and Heavy Elements

Hans‐Thomas Janka, M. Ruffert+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、核状態方程式とニュートリノ／重力波フィードバックを用いた流体力学的シミュレーションを用いて、中性子星-中性子星および中性子星-ブラックホール合体がガンマ線バーストおよび重元素の源として機能するかを調査している。その結果、このような合体は観測可能なガンマ線バーストを生成し、金 やプラチナなどのr過程元素を合成できることを示しており、宇宙における重元素生成におけるその役割を支持するものである。

ABSTRACT

Hydrodynamic simulations were performed of the dynamical phase of the merging of binary neutron stars (NS-NS) and of neutron star black hole binaries (NS-BH), using the physical nuclear equation of state of Lattimer and Swesty (1991) and taking into account the emission of gravitational waves and neutrinos.

研究の動機と目的

• 二重中性子星および中性子星-ブラックホール合体がガンマ線バーストの源として果たす役割を調査すること。
• これらの合体イベントにおける重元素（r過程）の核生成産物を調査すること。
• 重力波およびニュートリノ放射を含む現実的な物理的入力を用いて、合体の動的段階をモデル化すること。
• これらの系が短時間継続のガンマ線バーストおよび重元素生成のエンジンとして実現可能かどうかを評価すること。
• 観測的関連性を理論的基盤として提供すること。すなわち、合体、ガンマ線バースト、および宇宙における重元素の起源の関係を裏付けるものである。

提案手法

• 二重中性子星および中性子星-ブラックホール合体の動的段階をモデル化するために流体力学的シミュレーションが実施された。
• 中性子星物質の核状態方程式として、Lattimer-Swestyの核状態方程式が使用された。
• 重力波放射およびニュートリノ輸送が、エネルギー損失機構としてシミュレーションに組み込まれた。
• 合体過程中のエントロピー、密度、組成の進化が追跡された。
• 放出物質の熱力学的歴史に基づいて核生成産物が計算された。
• 観測的シグナル、特にガンマ線バーストのエネルギー出力およびr過程元素の生成に関する結果の分析が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星合体は、短時間継続のガンマ線バーストを駆動するのに十分なエネルギーを生成できるか？
• RQ2 中性子星合体の過程で放出される物質におけるr過程核生成の効率はいかほどか？
• RQ3 重力波およびニュートリノ損失は、合体する中性子星およびブラックホールの力学的挙動および組成にどのように影響するか？
• RQ4 このような合体から金 やプラチナなどの重元素の予測される生成量はどの程度か？
• RQ5 合体の残骸は、既知のガンマ線バーストおよび重元素の存在度データと整合する観測可能なシグナルを生成するか？

主な発見

• シミュレーションの結果、中性子星同士、あるいは中性子星とブラックホールの合体は、短時間継続のガンマ線バーストを駆動できる一時的な高エネルギー噴出流を生成できることを示した。
• 高温で中性子が豊富な噴出物質から、金 やプラチナなどの大きな量のr過程元素が合成された。
• ニュートリノ放射および重力波損失は、合体残骸の冷却および力学的挙動の形作りに重要な役割を果たした。
• シミュレーションにおける全質量放出量は数×10−2太陽質量に達し、r過程核生成に適した高いエントロピーおよび中性子の豊富さが特徴であった。
• 予測される重元素の生成量は、太陽系のr過程元素の存在度パターンと一致した。
• 結果は、二重中性子星および中性子星-ブラックホール合体が、短時間継続のガンマ線バーストおよび宇宙における重元素生成のr過程寄与の両方の実現可能な源であるという仮説を支持するものである。