[论文解读] Can neutrinos from neutron star mergers power gamma-ray bursts?

H.‐T. Janka, M. Ruffert|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 1995

Nuclear Physics and Applications被引用 4

一句话总结

本研究探讨了中子星并合残余物中的中微子-反中微子湮灭是否能驱动伽马射线暴。通过使用真实状态方程和引力波反作用力的三维流体动力学模拟，作者发现即使在最优条件下，中微子能量沉积量仍比典型伽马射线暴的光度低2–3个数量级。

ABSTRACT

We perform three-dimensional hydrodynamical simulations of the coalescence of binary neutron stars. We include the emission and backreaction of gravitational waves into the Newtonian ``Piecewise Parabolic Method''. The use of the physical equation of state of Lattimer & Swesty (1991) allows us to take into account the production of neutrinos. We evaluate our models for the efficiency of neutrino-antineutrino annihilation in the surroundings of the coalescing neutron stars. The corresponding energy deposition prior to and during merging turns out to be 2--3 orders of magnitude too small to power a typical gamma-ray burst with an energy output of about 10^{51}/(4 pi) erg/sterad at cosmological distances. Analytical estimates of the subsequent evolution of the disk which possibly surrounds the central black hole show that even under the most favorable conditions the energy in a fireball of electron-positron pairs and photons that is created by neutrino-antineutrino annihilation falls short by at least an order of magnitude.

研究动机与目标

• 评估中子星并合中微子-反中微子湮灭是否能提供足够的能量以驱动伽马射线暴。
• 使用包括中微子产生和引力波反馈在内的真实物理输入，对双中子星并合的流体动力学进行建模。
• 评估中微子-反中微子湮灭在并合后环境中能量沉积的效率。
• 确定由湮灭产生的喷发能量是否能达到典型伽马射线暴所需的10^51 erg/立体角。
• 在有利条件下，分析并合后吸积盘的演化及其形成喷发的可能性。

提出的方法

• 在牛顿框架下，使用分段抛物线法（PPM）对双中子星并合进行三维流体动力学模拟。
• 将引力波的发射及其反作用力纳入流体动力学模型。
• 采用Lattimer & Swesty（1991）状态方程，以准确模拟中子星物质并实现中微子产生。
• 利用中微子输运和辐射流体动力学，计算并合后区域的中微子-反中微子湮灭率及能量沉积。
• 评估在盘状环境中由湮灭产生的最终喷发能量，包括电子-正电子对和光子的产生。
• 在最优假设下，对盘状结构的演化和喷发能量进行解析估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星并合后环境中，中微子-反中微子湮灭能否产生足够的能量以驱动伽马射线暴？
• RQ2 在并合过程期间及之前，中微子-反中微子湮灭的能量沉积效率如何？
• RQ3 由中微子-反中微子湮灭在吸积盘中形成的喷发体，其最大可能能量输出是多少？
• RQ4 引力波反馈和真实状态方程如何影响动力学和中微子产生？
• RQ5 在最有利条件下，湮灭能量是否仍不足以达到伽马射线暴所需的光度？

主要发现

• 中子星并合期间及之前，中微子-反中微子湮灭的能量沉积量估计比典型伽马射线暴所需的10^51 erg/立体角低2–3个数量级。
• 即使在最有利的假设下，由中微子-反中微子湮灭产生的喷发体能量仍至少低一个数量级。
• 使用Lattimer & Swesty状态方程并包含引力波反作用力的模拟结果，证实了中微子产生与模型在物理上是一致的。
• 并合后盘状环境无法通过中微子湮灭产生足够的能量来解释观测到的伽马射线暴的光度。
• 对盘状结构演化的解析估算表明，所能达到的最大喷发体能量仍不足以驱动标准伽马射线暴。
• 本研究得出结论：通过湮灭驱动的中微子机制不太可能是中子星并合产生伽马射线暴的主要引擎。