[论文解读] Coalescing neutron stars -- a step towards physical models. II. Neutrino emission, neutron tori, and gamma-ray bursts

M. Ruffert, Janka, H. -Th.+2 more|ArXiv.org|Jun 30, 1996

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 66

一句话总结

本研究通过3D牛顿流体动力学模拟，调查了并合等质量中子星中的中微子发射与$\bar{\nu}\nu$-湮灭，发现中微子发光度峰值为$1-1.5 \times 10^{53}$ erg/s，其中90–95%来自围绕中心$\sim 3\,M_\odot$物体的高温、大质量环状气体云。尽管能量沉积率很高（$3-4 \times 10^{50}$ erg/s），但$\bar{\nu}\nu$-湮灭的总能量仍不足约1000倍，无法驱动宇宙伽马射线暴，除非考虑喷流束聚或额外吸积环状盘的贡献。

ABSTRACT

Three-dimensional hydrodynamical, Newtonian calculations of the coalescence of equal-mass binary neutron stars are performed, including a physical high-density equation of state and a treatment of the neutrino emission of the heated matter. The total neutrino luminosity climbs to a maximum value of 1--$1.5\cdot 10^{53}$~erg/s of which 90--95\% originate from the toroidal gas cloud surrounding the very dense core formed after the merging. When the neutrino luminosities are highest, $ν\barν$-annihilation deposits about 0.2--0.3\% of the emitted neutrino energy in the immediate neighborhood of the merger, and the maximum integral energy deposition rate is 3--$4\cdot 10^{50}$~erg/s. Since the $3\,M_{\odot}$ core of the merged object will most likely collapse into a black hole within milliseconds, the energy that can be pumped into a pair-photon fireball is insufficient by a factor of about 1000 to explain $γ$-ray bursts at cosmological distances with an energy of the order of $10^{51}/(4π)$~erg/steradian. Analytical estimates show that the additional energy provided by the annihilation of $ν\barν$ pairs emitted from a possible accretion torus of $\sim 0.1\,M_{\odot}$ around the central black hole is still more than a factor of 10 too small, unless focussing of the fireball into a jet-like expansion plays an important role. About $10^{-4}$--$10^{-3}$~$M_\odot$ of material lost during the neutron star merging and swept out from the system in a neutrino-driven wind might be a site for nucleosythesis. Aspects of a possible r-processing in these ejecta are discussed.

研究动机与目标

• 使用真实状态方程对双中子星并合过程中的流体动力学与中微子发射进行建模。
• 通过估算能量沉积率，评估$\bar{\nu}\nu$-湮灭为驱动伽马射线暴的潜力。
• 通过将预测的能量输出与观测到的爆发发光度进行比较，评估中子星并合作为宇宙伽马射线暴源的可行性。
• 研究富中子喷射物与吸积环状盘的形成与特性，包括其对核合成及相对论性火球中重子污染的影响。

提出的方法

• 使用分段抛物线法（PPM）进行三维流体动力学模拟，以模拟等质量中子星的并合过程。
• 采用Lattimer & Swesty（1991）状态方程描述中子星物质，并支持中微子发射计算。
• 在并合后阶段计算$\nu_e$、$\bar{\nu}_e$和$\nu_x$种类的中微子发光度与平均能量。
• 利用中微子能谱与空间分布，评估在并合天体附近的$\bar{\nu}\nu$-湮灭能量沉积。
• 通过分析估算$\bar{\nu}\nu$-湮灭可提供的总能量，并与宇宙伽马射线暴所需的$10^{51}$ erg/立体角能量进行比较。
• 评估由动力学喷射与中微子驱动风引起的重子污染，及其对相对论性火球形成的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 并合中子星中$\bar{\nu}\nu$-湮灭的能量是否足以产生足够发光度以驱动宇宙伽马射线暴？
• RQ2 并合后阶段产生的中微子发光度峰值与平均能量是多少，其空间分布如何？
• RQ3 在并合天体附近，$\bar{\nu}\nu$-湮灭的沉积能量有多少，是否足以形成相对论性火球？
• RQ4 喷射物的质量与成分如何，重子污染对相对论性火球模型的可行性有何影响？
• RQ5 若引入并合后吸积环状盘的额外能量或喷流束聚，能否弥补$\bar{\nu}\nu$-湮灭能量的不足？

主要发现

• 总中微子发光度峰值为$1-1.5 \times 10^{53}$ erg/s，其中90–95%来自围绕中心$\sim 3\,M_\odot$物体的高温、大质量环状气体云。
• 中微子平均能量约为12 MeV（$\nu_e$）、20 MeV（$\bar{\nu}_e$）和27 MeV（$\nu_x$），且$\bar{\nu}_e$的发光度为其他种类的3–6倍。
• $\bar{\nu}\nu$-湮灭在并合附近区域的能量沉积率最大可达$3-4 \times 10^{50}$ erg/s。
• $\bar{\nu}\nu$-湮灭可提供的总能量仍不足约1000倍，无法驱动宇宙伽马射线暴，后者需$\sim 10^{51}$ erg/立体角。
• 约$10^{-4}\,M_\odot}$的富中子、低熵物质被动力学喷射，另有高达几$10^{-2}\,M_\odot}$的高熵、富中子物质被中微子驱动风携带，对火球的相对论化构成重大威胁。
• 若不引入喷流束聚或聚焦机制，$\bar{\nu}\nu$-湮灭在可能的吸积环状盘中释放的能量仍超过10倍不足。