[論文レビュー] X-rays, gamma-rays and neutrinos from collisoinless shocks in supernova wind breakouts

Boaz Katz, Nir Sapir+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、光学的厚さの高い風における超新星風の吹き出しにおいて、衝突なし衝撃波が必然的に形成されることを示しており、非熱的フラッシュとしての硬いX線、ガンマ線（50 keV以上）、およびマルチTeVニュートリノが発生し、そのエネルギーは軟X線の吹き出し放射と同等またはそれ以上である。この放射は、現在のX線望遠鏡およびkmスケールのニュートリノ検出器により、数Mpcの距離まで検出可能である。

ABSTRACT

We show that a collisionless shock necessarily forms during the shock breakout of a supernova (SN) surrounded by an optically thick wind. An intense non-thermal flash of

研究の動機と目的

• 光学的厚さの高い周囲星間媒体における超新星風の吹き出し中に衝突なし衝撃波が形成されるかを調査すること。
• このような衝撃波が生成する高エネルギー放射（特にX線、ガンマ線、ニュートリノ）の特性を特定すること。
• 現在および計画中の観測機器を用いたこれらの高エネルギー放射の検出可能性を評価すること。
• 光学的厚さの風条件下で衝突なし衝撃波が必然的であることを示すことにより、放射駆動衝撃波における衝撃形成に関する論争を解決すること。
• 観測された低光度ガンマ線バーストおよび明るい遷移的天体が、吹き出し期の衝突なし衝撃波放射に起因するものと結びつけること。

提案手法

• 密度プロファイル $ \rho(r) \propto r^{-2} $ の光学的厚さの高い完全にイオン化された水素風を通過する、$ v \sim 10^9 \, \text{cm} \, \text{s}^{-1} $ の速度で動くピストンをモデル化する。
• コンプトン散乱による放射駆動を用いて、流体の殻が達成可能な最大速度 $ v_{\text{max}} \lesssim 0.5 (R_{\text{br}}/r) v $ を決定し、放射駆動衝撃波が $ r \sim 0.5 R_{\text{br}} $ を超えて維持できないことを示す。
• プラズマ物理学を適用し、イオンプラズマ振動数 $ \omega_p \gg $ コルトゥブ衝突率 $ \nu_C $ であることを示し、集団不安定性による衝突なし衝撃波形成を示す。
• 衝撃波による非熱的粒子加速を推定し、エネルギー等分配および衝撃加速効率を用いて、高エネルギー光子およびニュートリノの放射率を計算する。
• 断面積 $ \sigma \sim 10^{-34} \, \text{cm}^2 $ およびフラックススケーリング $ N_\mu \sim 5 \times (E_{\nu}/10^{51} \, \text{erg}) / (d/100 \, \text{Mpc})^2 $ を仮定して、ニュートリノ検出率を導出する。ここで、エネルギーの約1/3がニュートリノに分配されると仮定する。
• ペア生成の光学的厚さ $ \tau_{\gamma\gamma} \lesssim \epsilon_{0.1} \cdot 0.6 v_9 \cdot (h\nu / m_e c^2) $ を用いてガンマ線の光学的厚さを評価し、GeVエネルギー帯での検出可能性に制限を加える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的厚さの高い風における超新星風の吹き出し中に衝突なし衝撃波が形成可能か、どのような条件下で形成されるか？
• RQ2 このような衝撃波から予想される高エネルギー放射（X線、ガンマ線、ニュートリノ）のエネルギー予算およびスペクトル分布は何か？
• RQ3 現在のX線望遠鏡およびkmスケールのニュートリノ検出器で、これらの高エネルギー放射はどの程度検出可能か？
• RQ4 低光度ガンマ線バーストおよび明るい遷移的天体の観測特性の多くが、吹き出し期の衝突なし衝撃波放射に起因するものであるとされる程度はどの程度か？
• RQ5 ペア生成の光学的厚さが、これらの源からのマルチTeVガンマ線の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 光学的厚さの高い風における超新星風の吹き出し中に、衝突なし衝撃波が必然的に形成される。これは、集団不安定性がコルトゥブ衝突を上回るためである。
• 非熱的フラッシュとしての高エネルギー放射（X線、50 keV以上のガンマ線、マルチTeVニュートリノ）は、軟X線の吹き出し放射と同等またはそれ以上のエネルギーを有する。
• 硬いX線およびガンマ線放射は、Swift/XRTおよびChandra X線望遠鏡で、軟X線放射と同等の効率で検出可能であると予想される。
• マルチTeVニュートリノは、IceCubeなどのkmスケールのニュートリノ望遠鏡で検出可能であり、エネルギーの約1/3がニュートリノに分配される場合、100 Mpcの距離にある源に対して $ N_\mu \sim 1 $ の検出率が得られる可能性がある。
• 1 MeV以上のガンマ線放射は、ペア生成の光学的厚さ $ \tau_{\gamma\gamma} \lesssim \epsilon_{0.1} \cdot 0.6 v_9 \cdot (h\nu / m_e c^2) $ によって抑制され、Fermiのような機器によるGeVエネルギー帯での検出可能性が制限される。
• このモデルは、明るい超新星を単なる熱的吹き出し事象として解釈する見方を挑戦し、観測事例（例：PTF09uj、SN 2009ip）では観測されないが、強力な高エネルギーX線放射を予測している。