[論文レビュー] Relativistic Outflows in Gamma-Ray Bursts

M. Á. Aloy, M. Obergaulinger|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2007

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、数値シミュレーションを用いて、ガンマ線バースト（GRBs）における相対論的噴流が、長短GRBそれぞれに対応する崩壊星（collapsars）およびコンパクトな二重星合体（compact binary mergers）によって自然に生成されることを示している。噴流のコリメーションは、母体星の力学的要因によって駆動される。主な結果として、短GRBが観測可能となるのは合体のうちわずか一部に限られ、低密度環境では短GRBのローレンツ因子が500を超える一方、長GRBではニュートリノまたはMHD駆動メカニズムに依存して約100に達する。

ABSTRACT

The possibility that gamma-ray bursts (GRBs) were not isotropic emissions was devised theoretically as a way to ameliorate the huge energetic budget implied by the standard fireball model for these powerful phenomena. However, the mechanism by which after the quasy-isotropic release of a few $10^{50} $erg yields a collimated ejection of plasma could not be satisfactory explained analytically. The reason being that the collimation of an outflow by its progenitor system depends on a very complex and non-linear dynamics. That has made necessary the use of numerical simulations in order to shed some light on the viability of some likely progenitors of GRBs. In this contribution I will review the most relevant features shown by these numerical simulations and how they have been used to validate the collapsar model (for long GRBs) and the model involving the merger of compact binaries (for short GRBs).

研究の動機と目的

• 長GRBと短GRBのそれぞれの起源としての崩壊星モデルおよびコンパクト二重星合体モデルの妥当性を調査すること。
• GRB母体星における相対論的噴流のコリメーションを引き起こす物理的メカニズムを理解すること。
• 合体が観測可能な短GRBを生成する条件とX線/紫外線フラッシュを生成する条件を特定すること。
• ニュートリノおよび磁場駆動メカニズムが相対論的ジェットを駆動する役割を定量化すること。
• 環境密度および母体星構造がジェットのローレンツ因子および観測持続時間に与える影響を評価すること。

提案手法

• 軸対称かつ回転する星の核および二重星合体系における相対論的流体力学および磁気流体力学（MHD）の数値シミュレーション。
• 崩壊星モデルにおいて、ニュートリノ輸送およびニュートリノ-反ニュートリノ対の消失によるエネルギー供給を組み込む。
• Blandford-PayneおよびBlandford-Znajek過程を用いて、ブラックホール系における回転エネルギーの磁場による抽出をモデル化する。
• スケールフリーなMHDシミュレーションを用いて、環境密度に敏感なコンパクト二重星合体におけるジェット形成を探索する。
• 流出構造、ローレンツ因子の時間発展、および径方向の引き伸ばしを解析し、観測可能なGRB持続時間のモデル化を行う。
• アキロマチックなブレークや超光速運動といった観測的制約と照らし合わせて、シミュレートされた光曲線およびローレンツ因子を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長GRBにおける相対論的噴流のコリメーションを引き起こす母体星系の条件は何か？
• RQ2 なぜコンパクト二重星合体のうちわずか一部のものしか観測可能な短GRBを生成しないのか？環境密度はその割合にどのように影響するか？
• RQ3 GRB噴流の漸近的ローレンツ因子は何かに依存し、なぜ短GRBは長GRBよりも一般的により相対論的であるのか？
• RQ4 ニュートリノ駆動ジェットとMHD駆動ジェットは共存可能か？それぞれのGRBタイプにおいてどのメカニズムが支配的か？
• RQ5 ジェット内での非一様加速が、なぜ中央エンジンの時間スケールよりも長い観測持続時間を生じるのか？

主な発見

• 数値シミュレーションにより、一般に崩壊星がコリメートされた相対論的噴流を生成できることを確認し、長GRBに対する崩壊星モデルの妥当性を裏付けた。
• 短GRBが観測可能となるのは低密度環境の合体に限られ、高密度環境ではX線/紫外線フラッシュが発生する。
• 短GRBの漸近的ローレンツ因子は500–1000に達し、長GRBの約100に比べて顕著に高い。これは環境中のバリオン負荷が低いことに起因する。
• ジェット内のシェルの非一様加速が径方向の引き伸ばしを引き起こし、観測持続時間Tがc·t_ceを超えることがあり、エンジンの時間スケールの10倍まで延長される可能性がある。
• ニュートリノ駆動とMHD駆動の両メカニズムが同時に作用可能であり、高ローレンツ因子ジェットではMHDが支配的で、中程度のローレンツ因子ではニュートリノが支配的である。
• シミュレーション結果から、すべての合体が観測可能なGRBを生成するわけではないことが示され、観測された短GRBの発生率は合体率よりも低いことが示唆され、集団合成およびイベント発生率推定に影響を及える。