[論文レビュー] The Gravitational Wave Signal of a Core Collapse Supernova Explosion of a 15M$_\odot$ Star

Konstantin N. Yakunin, Anthony Mezzacappa+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、全ニュートリノ輸送および一般相対性理論補正を伴うChimeraコードを用いて、15 M$_\odot$ の星の核心崩壊超新星からの最初のab initio 3次元重力波(GW)信号予測を提示する。このシミュレーションは、現在の検出器（例：LIGO）で検出可能なGW信号を予測しており、ニュートリノ駆動型対流とSASIによる支配的発光フェーズが特徴で、ピーク周波数は約1000 Hzであり、3次元では偏光モード間のエネルギー共有のため、2次元と比較して歪み振幅が低減されている。

ABSTRACT

In this Letter, we report on the gravitational wave signal computed in the context of an $ab$ $initio$, three-dimensional simulation of a core collapse supernova explosion, beginning with a 15M$_\odot$ star and using state-of-the-art weak interactions. The simulation was performed with our neutrino hydrodynamics code Chimera. We discuss the potential for detection of our predicted gravitational signal by the current generation of gravitational wave detectors.

研究の動機と目的

• 15 M$_\\odot$ の前身星に対する、最新の物理を組み込んだ完全なab initio 3次元シミュレーションを用いた重力波信号の予測。
• LIGOなどの現在の世代の重力波検出器による予測されたGW信号の検出可能性の評価。
• 流体不安定性（多次元）、ニュートリノ駆動型対流、SASIがGW放射プロファイルに与える影響の解明。
• 2次元と3次元のGW信号予測を比較し、次元性の歪み振幅およびスペクトル構造への影響を評価。
• 現在のモデル化手法の限界を特定し、今後の高精度なシミュレーションの改善策を提案。

提案手法

• ニュートリノ輸送に多群フラックス制限拡散法を用いたChimeraニュートリノ流体力学コードを用いてシミュレーションを実施。弱い相互作用断面積は最新のものを利用。
• 3次元シミュレーションでは、540(r) × 180(θ) × 180(φ)のグリッドを用い、赤道近辺の角度分解能は2/3°から極付近では8.5°に変化させ、原始中性子星内部では半径方向分解能が0.1 kmまで向上。
• 一般相対性理論補正は、ニュートリノ輸送に適した有効重力ポテンシャルを用いて実施し、モノポール項および整合項を含む。
• 初期モデルでは、密度が10¹¹ g cm⁻³を超える領域ではLattimer-Swesty状態方程式を、低密度領域では強化されたCooperstein状態方程式を用いた。
• 対心後1.3 msの10–30 kmの領域に0.1%の密度摂動を導入し、対流およびSASIの成長を誘発。
• 時間発展に伴う質量四極モーメントから、横波トレースレスゲージにおける標準的四極子式を用いてGW信号を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 15 M$_\\odot$ の核心崩壊超新星の完全ab initio 3次元シミュレーションにおける重力波信号プロファイル（振幅、周波数、時間発展）はどのようなものか？
• RQ2 3次元シミュレーションのGW信号は、2次元シミュレーションと比較して歪み振幅およびスペクトル内容の点でどのように異なるか？
• RQ3 LIGOなどの現在の世代の検出器による予測されたGW信号の検出可能性はいかがなものか？
• RQ4 ニュートリノ駆動型対流およびSASIは、GW放射の支配的フェーズにどのように影響を与えるか？
• RQ5 現在の3次元シミュレーションがGW信号を予測するにあたり、主な限界は何か。今後の改善策は何か？

主な発見

• シミュレートされた重力波信号は、銀河系内の核心崩壊超新星に対して、現在の世代の検出器（例：LIGO）で検出可能であると予測される。
• 支配的GW放射フェーズは対心後100–450 msの間で発生し、ニュートリノ駆動型対流とSASIによって駆動されており、周波数スペクトルピークは約1000 Hz付近にある。
• 3次元では、+偏光モードの歪み振幅が、3次元における+および×偏光モード間のエネルギー共有のため、2次元と比較して低減されている。
• 時間的変化に伴う全重力波エネルギー放出は、2次元および3次元の両シミュレーションで類似した時間的発展を示し、全体的な放射プロファイルに顕著な差異は認められない。
• 初期のGW信号（対心後約175 msまで）には顕著な放射がなく、非回転前身星では強い非球面的非対称性が存在しないことと整合的である。
• 今後の改善が必要であり、具体的には、完全3次元ニュートリノ輸送、より正確な一般相対性理論の取り扱い（例：CFAやBSSNOK）、および乱流スケールを解像できる高精度な角度および半径方向分解能の向上が求められる。