[論文レビュー] Gamma-ray bursts from accreting black holes in neutron star mergers

M. Ruffert, Hans‐Thomas Janka|ArXiv.org|Sep 23, 1998

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 50

ひとこと要約

本稿では、中性子星合体後に形成される恒星質量のブラックホールを伴う降着トーラスにおけるニュートリノ・反ニュートリノ対消滅が、短時間ガンマ爆発（GRBs）を駆動できることを提案している。シミュレーションにより、回転軸に沿ったバリオンが薄いファンネル領域で、最大10^49エールグのエネルギーがνν̄対消滅によって沈殿され、その結果、1–10%の空域にビーム化された場合、最大10^52エールグ/秒の放射度を持つ相対論的ジェットが形成可能であることが示された。

ABSTRACT

By means of three-dimensional hydrodynamic simulations with a Eulerian PPM code we investigate the formation and the properties of the accretion torus around the stellar mass black hole which originates from the merging of two neutron stars. The simulations are performed with four nested cartesian grids which allow for both a good resolution near the central black hole and a large computational volume. They include the use of a physical equation of state as well as the neutrino emission from the hot matter of the torus. The gravity of the black hole is described with a Newtonian and alternatively with a Paczynski-Wiita potential. In a post-processing step, we evaluate our models for the energy deposition by nu-nubar annihilation around the accretion torus. Our models show that nu-nubar annihilation can yield the energy to account for weak, short gamma-ray bursts, if moderate beaming is involved. In fact, the barrier of the dense baryonic gas of the torus suggests that the low-density pair-photon-plasma is beamed as axial jets into a fraction 2 delta Omega/ (4 pi) between 1/100 and 1/10 of the sky, corresponding to opening half-angles of roughly ten to several tens of degrees. Thus gamma-burst energies of 10^{50}--10^{51} erg seem within the reach of our models (if the source is interpreted as radiating isotropically), corresponding to luminosities around 10^{51} erg/s for typical burst durations of 0.1--1 s. Gravitational capture of radiation by the black hole, redshift and ray bending do not reduce the jet energy significantly. Effects associated with the Kerr character of the rapidly rotating black hole, however, could increase the gamma-burst energy considerably, and effects due to magnetic fields might even be required to get the energies for long complex gamma-ray bursts.

研究の動機と目的

• 中性子星合体後に形成される降着ブラックホールが、ニュートリノ・反ニュートリノ対消滅によって短時間ガンマ爆発を駆動できるかどうかを調査すること。
• 3次元流体ダイナミクスシミュレーションを用いて、そのブラックホール周囲の降着トーラスの形成および性質をモデル化すること。
• トーラス内でのνν̄対消滅のエネルギー効率および沈殿率を評価し、相対論的ジェットの発射可能性を検討すること。
• ビーム化、バリオン負荷、ブラックホールスピンの役割が観測可能なGRB放射度を達成するために果たす影響を評価すること。

提案手法

• ブラックホール近傍の高密度領域と大規模なトーラスを解像できる4つのネストドカルテジアングリッドを用いた、Eulerian PPM法を用いた3次元流体ダイナミクスシミュレーション。
• 物理的状態方程式の組み込みと、高温のトーラス物質からのニュートリノ放出を考慮し、重力はニュートン的およびPaczyński-Wiitaポテンシャルでモデル化。
• トーラスおよびファンネル領域におけるνν̄対消滅によるエネルギー沈殿率と空間的分布を、後処理で評価。
• 低バリオン密度ファンネルの立体角に基づき、ジェットのビーム化率fΩを推定し、エネルギー出力をfΩでスケーリングして等方的同等放射度を推定。
• ジェットエネルギーに及ぼす重力的捕獲、赤方偏移、光線屈曲効果の評価に加え、Kerrブラックホールおよび磁場効果の影響を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星合体後に形成されたブラックホール周囲の降着トーラス内でのνν̄対消滅が、短時間ガンマ爆発を駆動するのに十分なエネルギーを供給できるか。
• RQ2 このような合体で形成される降着トーラスの質量、密度、温度、ニュートリノ放射度はそれぞれどの程度か。
• RQ3 ジェット形成ファンネル領域におけるνν̄対消滅のエネルギー沈殿効率はどの程度で、エネルギーの何割が相対論的流出に向けられるか。
• RQ4 観測されたGRB放射度に達するにはどの程度のビーム化率が必要か。また、バリオン負荷はジェットのコリメーションおよびローレンツ因子にどのように影響するか。
• RQ5 一般相対性理論的効果（Kerrスピンや磁場など）は、ジェットエネルギーおよび爆発の観測可能性にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 降着トーラスの質量は0.01～0.3太陽質量の間であり、ピーク密度は約10^12 g/cm³、温度は約10 MeVで、核子1個あたりのエントロピーは約5 k_Bに相当する。
• ニュートリノ放射度は約10^53エールグ/秒に達し、ファンネル領域におけるνν̄対消滅によるエネルギー沈殿率は(3–5)×10^50エールグ/秒に達する。
• 0.02～0.1秒の間に、約10^{-5} M☉のバリオン質量を伴うジェット領域に最大10^49エールグのエネルギーが沈殿され、初期のローレンツ因子Γ−1 ≈ 1が得られる。
• 低バリオン密度ファンネルは効率的なジェットコリメーションを可能にし、ビーム化率fΩ ≈ 1/100～1/10（開口半角10°～数10度）を実現する。
• 1–10%の空域にビーム化された場合、等方的同等放射度10^50～10^51エールグ/秒が達成可能であり、観測された短時間GRBsと整合的である。
• 赤方偏移や光線屈曲といった重力的効果はジェットエネルギーを顕著に減少させないが、Kerrスピンや磁場はさらなるエネルギー出力を高める可能性がある。