[論文レビュー] Deceleration of relativistic jets with lateral expansion

Wenbin Lu, Paz Beniamini+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、相対論的ジェットの横方向拡張を考慮した1次元流体力学的モデルを提示する。ジェットおよび衝撃を受けた周囲星間物質（CSM）物質を無限に薄い表面に閉じ込めることで、ジェットの減速および後光放射の効率的なシミュレーションが可能になる。この手法は、前進衝撃波における保存則およびジャンプ条件を用い、径方向の減速と接線方向の圧力勾配を計算し、横方向拡張を駆動する。このモデルは、構造的ジェットおよび複雑なCSM密度プロファイルの高速かつ高精度なモデリングを可能にするオープンソースコードJediに実装されている。

ABSTRACT

We present a model for the hydrodynamics of a relativistic jet interacting with the circum-stellar medium (CSM). The shocked CSM and the jet material are assumed to be in an infinitely thin surface, so the original 2D problem is effectively reduced to 1D. From general conservation laws, we derive the equation of motion for each fluid element along this surface, taking into account the deceleration along the surface normal due to newly swept-up mass and lateral expansion due to pressure gradient in the tangential direction. The pressure and energy density of the shocked CSM are given by the jump conditions at the forward shock. The method is implemented with a finite-differencing numerical scheme, along with calculation of synchrotron emission and absorption from shock-accelerated electrons, in a new code $\mathtt{Jedi}$ (for "jet dynamics"). We present a number of test cases, including top-hat jet, power-law structured jet, "boosted fireball" profile, and CSM with density jump at the wind termination shock. Based on the agreement with other analytical and numerical calculations, we conclude that our simplified method provides a good approximation for the hydrodynamics and afterglow emission for a wide variety of jet structures and CSM density profiles. Efficient modeling of the afterglow from e.g., neutron star mergers, will provide important information on the jet energetics, CSM properties, and the viewing angle.

研究の動機と目的

• 構造的周囲星間物質（CSM）と相互作用する相対論的ジェットの流体力学的シミュレーションのための、効率的で高精度な手法の開発。特に横方向拡張を伴う場合を対象とする。
• GW170817のような中性子星合体における非軸対称ジェットの後光放射をモデル化し、観測方向の影響が重要な場合に有効である。
• トップハットジェットの仮定を越えて、現実的でべき乗則に従う構造的ジェットおよび可変な横方向拡張を伴うCSM密度プロファイルのシミュレーションを可能にする。
• パラメータ空間の探索や観測データのフィッティングのために、完全な2次元相対論的流体力学的シミュレーションに代わる計算的に効率的な代替手法を提供する。
• 観測された後光光曲線およびスペクトルから、ジェットのエネルギー、CSMの性質、観測方向を制約する手法を提供する。

提案手法

• ジェットおよび衝撃を受けたCSMを無限に薄い1次元的表面に閉じ込めることで、2次元軸対称問題をその表面に沿った1次元的運動に簡略化する。
• 径方向の減速は、前進衝撃波におけるエネルギー保存則およびジャンプ条件から計算され、衝撃波法線に沿ったローレンツ因子の時間的変化を決定する。
• 横方向拡張は、表面に隣接する流体要素間の接線方向圧力勾配によって駆動され、接線方向における運動量保存則を用いてモデル化する。
• 有限差分法を用いて各流体要素の運動方程式を数値的に統合し、時間経過に伴う位置、速度、ローレンツ因子の変化を追跡する。
• シンクロtron放射および吸収は、破綻したべき乗則形の電子エネルギー分布を用いて計算され、シンクロtron自己吸収および冷却効果を含む。
• コード名Jediは、任意の観測方向および周波数帯域で、1つのCPUコア上で1秒未満で光曲線およびスペクトルを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的エネルギー分布と非一様なCSM密度を有する相対論的ジェットにおける横方向拡張は、どのように時間発展するか？
• RQ2 簡略化された1次元モデルは、2次元相対論的ジェットの流体力学的挙動および後光放射を正確に再現できるか？
• RQ3 特に密度勾配が存在する場合に、構造的ジェットの異なる領域における横方向拡張速度はどのように変化するか？
• RQ4 このモデルは、観測された後光光曲線のフィッティングのために、高コストな2次元流体力学的シミュレーションにどの程度置き換え可能か？
• RQ5 GW170817のような非軸対称後光観測から、ジェット構造およびCSMの性質に関するどのような制約を導けるか？

主な発見

• テストケースにおいて、本モデルはトップハットジェット、べき乗則に従う構造的ジェット、密度ジャンプを伴うCSMを含め、ジェットの減速および横方向拡張を正確に再現した。
• 横方向拡張は、単純な音速モデルが予測するよりも遅く、2次元流体力学的シミュレーションと整合的である。初期ジェット開口角内に大部分のエネルギーが保持され、やや相対論的速さに達するまで横方向拡張は限定的である。
• コードJediは、1モデルあたり数秒で完全な後光光曲線およびスペクトルを計算可能であり、パラメータ空間の迅速な探索が可能である。
• シンクロtron放射および吸収、特に自己吸収および冷却ブレークを含むスペクトルの時間的変化を正確に捉えている。
• 本手法は、幅広いジェット構造およびCSM密度プロファイルに対して信頼できる近似を与える。実際の後光データのフィッティングに有効であることが妥当化された。
• 本手法は、GW170817のような非軸対称イベントにおけるジェットエネルギー、CSM密度プロファイル、観測方向の制約に特に適している。