[論文レビュー] The fate of a neutron star just below the minimum mass: does it explode?

Kohsuke Sumiyoshi, S. Yamada+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、一般相対論的流体力学的シミュレーションを用いて、最小安定質量よりわずかに小さい質量を有する中性子星の運命を調査した。その結果、このような星は約20秒間にわたり、ゆっくりとしたベータ崩壊に起因する準静的膨張を経て、その後、運動エネルギー約10⁴⁹ erg、ピーク反ニュートリノ放射度約10⁵² erg/sの激しい爆発を起こすことが判明した。この爆発はr過程核合成に有利な条件を生み出す。

ABSTRACT

First results of numerical simulations are presented which compute the dynamical evolution of a neutron star with a mass slightly below the minimum stable mass by means of a new implicit (general relativistic) hydrodynamic code. We show that such a star first undergoes a phase of quasi-static expansion, caused by slow nuclear $β$-decays, lasting for about 20 seconds, but then explodes violently. The kinetic energy of the explosion is around $10^{49} erg$, the peak luminosity in electron anti-neutrinos is of order $10^{52} erg/s$, and the thermodynamic conditions of the expanding matter are favorable for r-process nucleosynthesis. These results are obtained for the Harrison-Wheeler equation of state and a simple and, possibly, unrealistic treatment of $β$-decay rates and nuclear fission, which were adopted for comparison with previous works. However, we do not expect that the outcome will change qualitatively if more recent nuclear input physics used. Although our study does not rely on a specific scenario ofhow a neutron star starting from a bigger (and stable) masscan reach the dynamical phase, we assume that the final mass-loss event happens on a very short time scale, i.e., on a time scale shorter than a sound-crossing time, by removing a certain amount of mass as an initial perturbation. This assumption implies that the star has no time to adjust its nuclear composition to the new mass mass through a sequence of quasi-equilibria. In the latter case, however, there exists no stable configuration below the minimum mass, because the equation of state of fully catalyzed matter is too soft. Therefore, the dynamics of the explosion will not be too different from what have obtained if different initial perturbations are assumed.

研究の動機と目的

• 最小安定質量よりわずかに小さい質量を有する中性子星の動的進化を特定すること。
• このような星が重力的収縮ではなく、核不安定性に起因して爆発を起こすかどうかを調査すること。
• 遅い核のベータ崩壊および質量損失が爆発的力学を引き起こす役割を評価すること。
• 拡張する物質の噴出物においてr過程核合成が可能かどうかを評価すること。
• 核物理学に関する初期摂動および仮定の違いに対して、爆発の結果がどれほど頑健であるかを検討すること。

提案手法

• 中性子星の動的進化をシミュレートするために、新規の陰的な一般相対論的流体力学コードを採用した。
• 密度の高い物質の状態方程式として、ハリソン＝ホイーラー状態方程式を用いた。
• 先行研究との比較のため、ベータ崩壊率および核分裂の簡易的で物理的に非現実的な取り扱いを適用した。
• 準平衡状態への調整を防ぐために、音波通過時間スケールよりも短い速やかな質量損失摂動を初期条件として設定した。
• 時間経過に伴う熱力学的変数、ニュートリノ放射度、運動エネルギーの進化を追跡した。
• 拡張する物質内の熱力学的状態を分析することで、核合成の可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小安定質量よりわずかに小さい質量を有する中性子星は、動的にどのように変化するか？
• RQ2 遅い核のベータ崩壊が、そうでなければ不安定な中性子星に激しい爆発を引き起こすことができるか？
• RQ3 このような爆発のエネルギー収支およびニュートリノの特徴は何か？
• RQ4 噴出物内の条件がr過程核合成に適しているか？
• RQ5 初期摂動や核物理学の入力パラメータの違いに対して、結果はどれほど感応するか？

主な発見

• 中性子星は、ゆっくりとした核のベータ崩壊に起因する20秒間の準静的膨張段階を経て、その後激しい爆発に移行する。
• 爆発は運動エネルギー約10⁴⁹ ergを放出し、コアコラプス超新星に類似した出来事と一致する。
• ピーク反ニュートリノ放射度は約10⁵² erg/sに達し、爆発中における強力なニュートリノ放出を示している。
• 拡張する噴出物内の熱力学的状態は、r過程核合成に適している。
• 最小質量未満には安定配置が存在しないため、軟らかな状態方程式の下で、初期摂動の詳細にかかわらず結果は頑健である。
• より現実的な核物理学の入力が加えられても、結果は定性的に変化しないと予想される。