[論文レビュー] Simulations of non-axisymmetric rotational core collapse

Markus Rampp, E. Müeller+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 1997

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 4被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、重力的核崩壊中の急速回転する星の核における非軸対称不安定性の最初の3次元流体力学的シミュレーションを、重力波放出を計算するための四重極近似を用いて行っている。動的に不安定なモデルにおいてm=2のバー状態不安定性が強い非線形的成長を示すが、核崩壊後の急速な再膨張のため、三軸的変形が強くならないうちに核の密着度が低下し、重力波の振幅が顕著に増大しないことが観測された。

ABSTRACT

We report on the first three-dimensional hydrodynamic simulations of secular and dynamical non-axisymmetric instabilities in collapsing, rapidly rotating stellar cores which extend well beyond core bounce. The resulting gravitational radiation has been calculated using the quadrupole approximation. We find that secular instabilities do not occur during the simulated time interval of several 10 ms. Models which become dynamically unstable during core collapse show a strong nonlinear growth of non-axisymmetric instabilities. Both random and coherent large scale initial perturbations eventually give rise to a dominant bar-like deformation ($\exp(\pm imϕ$) with $m=2$). In spite of the pronounced tri-axial deformation of certain parts of the core no considerable enhancement of the gravitational radiation is found. This is due to the fact that rapidly rotating cores re-expand after core bounce on a dynamical time scale before non-axisymmetric instabilities enter the nonlinear regime. Hence, when the core becomes tri-axial, it is no longer very compact.

研究の動機と目的

• 急速回転する星の核における重力的核崩壊期の非軸対称不安定性の発生と進化を調査すること。
• このような不安定性が、LIGO/VIRGOで検出可能な程度に重力波放出を顕著に増幅させる可能性があるかどうかを評価すること。
• 核の三軸的変形が軸対称的崩壊と比較して、より強い重力波放射を引き起こすかどうかを特定すること。
• 非軸対称的崩壊における回転エネルギーと核の密着度が、重力波振幅を制限する役割を果たすかを評価すること。
• 異なる初期摂動と状態方程式の仮定のもとで、結果の頑健性を検討すること。

提案手法

• 回転速度と角運動量分布の範囲をカバーする初期モデルを用いて、回転核崩壊の3次元流体力学的シミュレーションを実施すること。
• 時間的に変化する質量四重極モーメントから重力波放出を計算するために、四重極近似を用いること。
• 初期条件の種子に依存する感度をテストするために、ランダムおよび一様な大規模初期摂動を導入すること。
• 核のバウンス以降の核崩壊ダイナミクスをシミュレートし、数10ミリ秒にわたって進化を追跡すること。
• m=2（バー状態）不安定性の成長と、それが核の形状および重力波形に与える影響を分析すること。
• 3次元効果を分離し、信号増幅の可能性を評価するために、軸対称的モデルと比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急速回転する星の核において、核崩壊の最初の10–20 msの間に、長期間的非軸対称不安定性が成長するか？
• RQ2 動的に不安定な核は、顕著に重力波放出を増幅させるような強いm=2バー状態変形を発達させるか？
• RQ3 核の三軸的変形が、軸対称的崩壊と比較して、測定可能な程度に重力波振幅を増大させるか？
• RQ4 核のバウンス後の再膨張が、三軸的核の密着度および重力波信号にどのように影響するか？
• RQ5 初期条件や状態方程式にどのような選択肢があれば、非軸対称的不安定性からより強い重力波信号が得られるか？

主な発見

• βが長期間的不安定性の閾値を超えるモデルですら、シミュレートされた10–20 msの間には長期間的不安定性は成長しない。
• 動的に不安定なモデルでは、m=2バー状態不安定性が強い非線形的成長を示し、核に支配的なバー状態変形が生じる。
• 顕著な三軸的変形が見られるにもかかわらず、重力波振幅は10 Mpcにおける軸対称的値|h| = 3.5 × 10⁻²³を超えない。3次元効果による変調はわずか約10%にとどまる。
• 核のバウンス後の急速な再膨張により、非軸対称的不安定性が完全な非線形強度に達する前に核の密着度が低下し、重力波放出が制限される。
• 内部核を断熱指数を低下させることで意図的に2度目の崩壊に誘導しても、重力波振幅は10 Mpcにおいて|h| ≈ 10⁻²³未満にとどまる。
• これらのシミュレーションで形成されたバー状態の核は、質量< 0.5 M☉、半径< 100 km、回転周期> 1 msであると予測され、10 Mpcにおける最大重力波振幅|h| < 10⁻²²であると示唆される。