[論文レビュー] The birth of strange stars: kinetics, hydrodynamics and phenomenology of supernovae and GRBs

J. E. Horvath|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2007

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、中性子星が strange quark matter (SQM) に変換されるのを駆動する力学的および流体力学的過程を調査し、特にレイノルズ不安定およびランダウ＝ダリエュース不安定が、層流炎上から乱流または爆轟状態への燃焼移行を急速に進行させることを示している。これにより、短時間スケール（ms–s）の燃焼が実現され、短時間ガンマ線バースト（short GRBs）と整合的である。磁場は、分散関係が変化することにより炎上伝播にさらなる影響を及ぼすことが示され、磁場の強さにかかわらず、SQM形成と爆発的遷移現象を統一的に結びつける現象論的枠組みが提示された。

ABSTRACT

We present a short review of strange quark matter in supernovae and related explosions, with particular attention to the issue of the propagation of the combustion in the dense stellar environment. We discuss the instabilities affecting the flame and present some new results of application to the turbulent regime. The transition to the distributed regime and further deflagration-to-detonation mechanism are addressed. Finally we show that magnetic fields may be important for this problem, because they modify the flame through the dispersion relations which characterize the instabilities. A tentative classification of explosive phenomena according to the value of the average local magnetic field affecting the burning and the type of stellar system in which this conversion is taking place is presented. As a general result, we conclude that "short" conversion timescales are always favored, since the burning falls in either the turbulent Rayleigh-Taylor (or even the distributed) regime, or perhaps in the detonation one. In both cases the velocity is several orders of magnitude larger than $v_{lam}$, and therefore the latter is irrelevant in practice for this problem. Interesting perspectives for the study of this problem are still open and important issues need to be addressed.

研究の動機と目的

• 中性子星内における中性子物質から strange quark matter (SQM) への移行を支配する力学的および流体力学的メカニズムを理解すること。
• 特にレイノルズ不安定およびランダウ＝ダリエュース不安定といった流体力学的不安定性が、層流炎上をはるかに上回る燃焼速度を促進する役割を評価すること。
• 磁場が燃焼フロントにおける分散関係をどのように変化させ、炎上伝播に影響を与えるかを調査すること。
• 磁場強度と星系タイプに基づいて、爆発的現象（例：短時間ガンマ線バースト、UV-X閃光）を分類する現象論的枠組みを提唱すること。
• 短時間ガンマ線バーストに適切な層流炎上の時間スケール（約10³–10⁴ s）が実際には関係しないと仮定することを挑戦し、代わりに乱流または爆轟状態の高速な燃焼メカニズムが支配的であると主張すること。

提案手法

• レイノルズ不安定およびランダウ＝ダリエュース不安定を特に含む流体力学的不安定性の下で、反応性オイラー方程式（13–16）を用いて燃焼フロントをモデル化すること。
• 分散関係解析を適用し、磁場強度の変化に伴う炎上安定性および伝播速度の評価を行うこと。
• 高密度星間環境における層流炎上から乱流炎上、さらには炎上から爆轟への移行（DDT）の遷移をシミュレーションすること。
• 磁化され、幾何的に非対称な SQM コアにおけるニュートリノ輸送および放射の非対称性を分析し、ガンマ線バースト（GRB）のビーミングをモデル化すること。
• 磁場強度（B）と星系タイプを観測可能な爆発的現象（例：短時間ガンマ線バースト、UV-X閃光）に結びつける一時的分類スキーム（表1）を構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レイノルズ不安定およびランダウ＝ダリエュース不安定といった流体力学的不安定性が、中性子星における n→SQM 変換の過程で燃焼フロントの伝播にどのように影響を与えるか？
• RQ2 磁場が燃焼フロントにおける分散関係をどのように変化させ、炎上ダイナミクスに影響を与えるか？
• RQ3 観測された短時間ガンマ線バースト（GRBs）の短時間スケールが、SQM 形成における層流炎上から乱流または爆轟燃焼への移行によって説明可能か？
• RQ4 新しく形成された strange quark matter コアの幾何学的形状、特に磁場の影響を受ける場合、ニュートリノ放射およびその後のガンマ線ビーミングにどのように影響を与えるか？
• RQ5 磁場強度と星系タイプに基づいて、爆発的現象（例：短時間ガンマ線バースト、UV-X閃光）を統一的に分類する現象論的枠組みを構築できる程度はどの程度か？

主な発見

• 特にレイノルズ不安定およびランダウ＝ダリエュース不安定といった流体力学的不安定性が、層流炎上を急速に上回り、炎上速度が層流速度（v_lam）と比較して数個のオーダーも上昇する乱流燃焼状態を引き起こす。
• 層流炎上の時間スケール（約10³–10⁴ s）は、短時間ガンマ線バーストに適切ではないとされ、実際の燃焼はより速い乱流または爆轟状態によって進行する。
• 磁場は不安定性の分散関係を変化させ、炎上の非対称な伝播および SQM コア内の幾何的非対称性を引き起こし、熱的ニュートリノ・反ニュートリノ対の二重極指向性放射を促進する。
• 極域上部でのニュートリノ・反ニュートリノ対の消失が、相対論的フレイムボールを生成し、短時間ガンマ線バーストに結びつく妥当なメカニズムを提供する。
• 表1に示される一時的な爆発的現象の分類が提唱され、磁場強度（B）と観測可能な結果との関係が提示された：B < 10¹² G では球状の弱い GRB から、B ≥ 10¹³ G ではジェット状または二重極指向性放射へと移行する。
• 中心部の過圧力ショック波によって誘発される即時爆轟の可能性が、遅延 DDT よりも現実的である代替案として示唆されたが、エネルギー輸送と炎上構造との詳細な結合は未解明のままである。