[論文レビュー] Collapsars, Gamma-Ray Bursts, and Supernovae

S. E. Woosley, Andrew MacFadyen+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、質量が大きく回転する星がブラックホールを形成する過程とガンマ線バースト（GRBs）および超新星の関連を統合的に説明するためのコラプサー模型を提案する。急速な降着が回転する質量の大きな星の崩壊に伴い形成されたブラックホールに及ぶと、磁気流体力学（MHD）ジェットが発生し、多様なエネルギーと継続時間を持つGRBsを生成する。SN 1998bwは、ジェットの収束が不完全な状況を示す可能性がある、より広がったジェット現象の観測例である可能性がある。

ABSTRACT

A diverse range of phenomena is possible when a black hole experiences very rapid accretion from a disk due to the incomplete explosion of a massive presupernova star endowed with rotation. In the most extreme case, the outgoing shock fails promptly in a rotating helium star, a black hole and an accretion disk form, and a strong gamma-ray burst (GRB) results. However, there may also be more frequently realized cases where the black hole forms after a delay of from several tens of seconds to several hours as approximately 0.1 to 5 solar masses falls back into the collapsed remnant following a mildly successful supernova explosion. There, the same MHD mechanisms frequently invoked to produce GRBs would also produce jets in stars already in the process of exploding. The presupernova star could be a Wolf-Rayet star or a red or blue supergiant. Depending upon its initial pressure, the collimation of the jet may also vary since ``hot'' jets will tend to diverge and share their energy with the rest of the star. From these situations, one expects diverse outcomes ranging from GRBs with a large range of energies and durations, to asymmetric, energetic supernovae with weak GRBs. SN 1998bw may have been the explosion of a star in which fall back produced a black hole and a less collimated jet than in the case of prompt black hole formation.

研究の動機と目的

• 質量が大きく回転する星の崩壊によって形成されるブラックホールと降着円盤を介したガンマ線バースト（GRBs）の起源を説明すること。
• GRBの性質の多様性—エネルギー、継続時間、収束性—を一つの物理的枠組み内で統合的に説明すること。
• 特に、降着がブラックホール形成を遅らせる状況においても、GRB現象と超新星爆発を結びつけること。
• 原始星の種類と内部圧力の違いが、ジェットの収束性に与える影響を明らかにし、GRBの観測的特徴にどのように関連するかを検討すること。
• SN 1998bwが、ブラックホール形成が遅れたことによるジェットの収束性が不完全な状況を示す、ジェット駆動型超新星の代表例として解釈可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 降着円盤の形成を含む、流体力学的シミュレーションを用いて回転する質量の大きな星（Wolf-Rayet星、赤/青超新星）の崩壊をモデル化する。
• 新しく形成されたブラックホール周囲の降着円盤からジェットが発生するメカニズムとして、磁気流体力学（MHD）を適用する。
• 初期星の内部圧力と回転が、ジェットの収束性とエネルギー分布に与える影響を分析する。
• ブラックホール形成のタイミング（即時的：数秒以内 vs. 降着による遅延：数秒から数時間）に応じた結果を比較する。
• 数値的シミュレーションを用いて、ジェットが星の包層を通過する際の挙動と、観測的シグネチャへの影響を評価する。
• 理論的予測を観測データと照合する。特に、SN 1998bwと関連するGRBに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きな星が崩壊する中で、ブラックホールへの降着が起こる条件下で、ガンマ線バースト（GRBs）が形成される物理的条件は何か？
• RQ2 ブラックホール形成のタイミング—即時的 vs. 降着による遅延—が、ジェットの性質とGRBの特徴にどのように影響を与えるか？
• RQ3 質量の大きな星の崩壊過程において、相対論的ジェットの収束性は何かに依存するのか？また、原始星の種別と内部圧力に応じてどのように変化するか？
• RQ4 原始星の質量、回転、降着ダイナミクスの違いによって生じるGRBの観測的多様性（エネルギー、継続時間）は、どのように説明可能か？
• RQ5 SN 1998bwは、ブラックホール形成が遅れたことによるジェットの収束性が不完全な状況を示す、ジェット駆動型超新星の代表例として解釈できるか、その程度はどの程度か？

主な発見

• 回転するヘリウム星の即時的ブラックホール形成は、降着円盤からのMHD駆動ジェットによって、強力で高密度に収束したガンマ線バーストを生じる。
• 0.1～5太陽質量の物質が降着することで、数秒から数時間の遅れを経て形成されるブラックホールでも、同様のMHDメカニズムによりジェットが生成可能である。
• ジェットの収束性は原始星の内部圧力に依存する：『高温』のジェットは、密度が低く圧力の高い領域で発生すると、発散しやすく、星のエネルギーと共有される。
• 本モデルは、高エネルギーで短時間のGRBから、非対称的でエネルギーの高い超新星に伴う弱いまたは収束性の低いGRBに至るまでの多様な結果を予測する。
• SN 1998bwは、ブラックホール形成が遅れたことによる、収束性が不完全なジェット噴出を示す可能性がある、ジェット駆動型爆発の例として解釈できる。
• 本モデルは、質量が大きく回転する星におけるGRBs、超新星、ブラックホール形成の関連を統合的に説明する枠組みを提供する。