ニュートリノ駆動型 超新星爆発シミュレーション 3Dと2Dの比較

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1 2016/01/05 宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究 第二回超新星ニュートリノ研究会 ニュートリノ観測による超新星爆発メカニズムの探求 滝脇知也 ( 理化学研究所 ) 1

2 2

3 Three phases of supernovae Presupernova phase Burst phase Accretion phase Cooling phase Kato+2015 吉田敬さん石徹白さん Nakazato+2013 Takiwaki in prep. 滝脇知也, 堀内俊作さん鈴木英之さん中里健一郎さん 3

4 原子核物理 天文天体物理 What is the issue in the phases? Presupernova phase Burst phase Accretion phase Cooling phase 親星 親星 星形成率 IMF ( 星の初期質量分布と BH 率 ) Extremely nearby Extra 4 原子核 EOS 元素合成 (<Fe) Sterile neutrino, axion? 爆発メカニズム 原子核 EOS 元素合成 (weak r) Sterile neutrino, axion?

5 原子核物理 天文天体物理 Three phases of supernovae Presupernova phase Burst phase Accretion phase Cooling phase 親星 親星 星形成率 IMF ( 星の初期質量分布と BH 率 ) Extremely nearby Extra 5 原子核 EOS 元素合成 (<Fe) Sterile neutrino, axion? 爆発メカニズム 原子核 EOS 元素合成 (weak r) Sterile neutrino, axion?

6 6 Q. 親星が決まるのがなぜそんなに大事? A. 親星の構造が爆発の可否を決めるから 以下にそのロジックをしめす

7 Neutrino Heating Mechanism -Cooling term Janka 01 -Heating term If we assume hydrostatic profile with pressure of radiation dominant. Above gain radius, the heating is dominant.

8 Analogy 一番簡単には上の錘の重さと電子レンジの出力の勝負 錘の重さ= 衝撃波への質量降着率出力 =ニュートリノの光度 錘の重さ > ニュートリノの光度なら爆発しない 錘の重さ < ニュートリノの光度なら爆発する cap ice Cold water Hot water Microwave oven ただし ニュートリノの光度も結局錘の重さで決まる 超新星は錘の重さの 1 パラメータで表されるシステム! 8

9 Time Evolution of νluminosity O Connor and Ott 平均エネルギールミノシティ 青 : 重い星 ( 質量降着率が高い ) 赤 : 軽い星 ( 質量降着率が低い ) 時間 ルミノシティから星の軽重 ( 質量降着率 ) の情報を得る

10 ~ 質量降着率 Mass accretion vs neutrino heating Ertl D simulation Phenomenological ν-transport 10 ~ ニュートリノの光度 (1) 質量降着率 > ニュートリノの光度なら爆発しない (2) 質量降着率 < ニュートリノの光度なら爆発する (3) ニュートリノの光度も結局質量降着率で決まる (4) 質量降着率は親星の構造で決まる親星の構造で爆発の可否はきまる!

11 RSG problem & SN rate problem Horiuchi ある ξ 以上が爆発しないとすると 二つの問題が同時に解決 11 Red supergiant problem: 16-30M_s の親星の超新星爆発が観測されない SN rate problem: 星形成率から予想される超新星爆発の数に対して現実の数が少ない

12 終質量 Fate of the massive stars Woosley & Heger 2002 星の進化計算からの定性的予想 ~8-20 M_s ぐらいが超新星爆発を起こして中性子星を作る 20-40M_s ぐらいで 爆発せずに BH になる シミュレーション技術を発達して この定性的な図を定量的にする 中性子星 ブラックホール 12 初期質量

13 BH forming core-collapse 40M_s BH formation! 13M_s Liebendoerfer+2004 BH を作る場合その直前でニュートリノ光度が上がる 13

14 Ni mass Ni mass Origin of faint supernovae Nomoto plot Smartt plot Initial mass Initial mass Smartt09 もしfaint Supernovaがで起きたら νの観測をすれば起源が分かる! 重い星でBH 形成をするときにはその直前でν 光度が高い 軽い星でNSができる場合にはν 光度がそれほど高くない! 14 Collapsar でも区別はつく Sekiguchi+2011

15 Analogy もう一歩複雑にすると 下の熱を上に伝える機構の効率が問題になる 対流など これは 3 次元の高解像度計算をしないといけない 回転 磁場などによっても変わる cap ice Cold water Convection! Hot water Microwave oven 15

16 Variant of ν-heating mechanism Melson M_s zero metal 1 次元でも爆発! ν 加熱のみで 8.8M_s, Kitraura+06 が有名 Horiuchi M_s 1 次元では爆発しない 3 次元で対流が効いて爆発 Melson M_s 1 次元で爆発しない SASI が起こって爆発 一般に爆発しずらい? 16 数字 手法等 細かいところはツッコミどころ満載ですが

17 Flow Pattern と Mdot-L 平面 ニュートリノ加熱が優勢な側でコンベクションが発達しやすい SASI+ 爆発は難しい ( 不可能とは言ってないし 実際モデルもある Melson+15) Iwakami+ 2013

18 Neutrino signals from no-rotating model Tamborra Takiwaki+ in prep SASI による揺れがニュートリノ観測に現れる SASI の強さと見る方向によってはうまく見れない可能性も 18

19 TOP Neutrino signals from rotating model SIDE Period of spiral mode is extracted by ν-signal Takiwaki+ in prep 19

20 原子核物理 天文天体物理 Three phases of supernovae Presupernova phase Burst phase Accretion phase Cooling phase 親星 親星 星形成率 IMF ( 星の初期質量分布と BH 率 ) Extremely nearby Extra 20 原子核 EOS 元素合成 (<Fe) Sterile neutrino, axion? 爆発メカニズム 原子核 EOS 元素合成 (weak r) Sterile neutrino, axion?

21 Basic idea to connect EOS and Explosion 1. The PNS gradually shrinks by the gravity. ν 2. E_grav is released. 3. E_thermal is increased. ν PNS ν 4. The L_ν and sonic waves are emitted from the surface of PNS. ν 21 Softer EOS is preferable to the explosion.

22 PNS radius[km] Luminosity (LE^2) Neutrino Luminosity soft stiff stiff soft 15M_s Time[ms] Time[ms] LS(K220):Soft EOS => rapidly shrink => Large L_ν Shen: Stiff EOS => slowly shrink => small L_ν 22 (Sumiyoshi+2005 and Fisher show similar results.)

23 Anti- e Luminosity [10^52 erg/s] EOS dependence on Luminosity LSK220 STOS 27.0 Accretion phase では EOS 依存性は親星依存性より弱い 11.2 Time[ms] ニュートリノ観測は親星推定に使える! ただし 正確な親星の大きさを出すとき EOS の不定性がエラーとなるかもしれない 23 Similar result is obtained in Fischer+2013 but not consistent with Sumiyoshi+2005

24 EOS dependence on Luminosity Cooling phase では EOS 依存性は大きくでる Mirizzi+2015 NS 24 Cooling phase で EOS を決めて その EOS を使って accretion phase のモデルをあわせる戦略は可能か?

25 原子核物理 天文天体物理 Next Strategy Presupernova phase Burst phase Accretion phase Cooling phase 親星 親星 同じ情報? 違う情報? 星形成率 IMF ( 星の初期質量分布と BH 率 ) Extremely nearby Extra 25 原子核 EOS 元素合成 (<Fe) Sterile neutrino, axion? 爆発メカニズム 原子核 EOS 元素合成 (weak r) Sterile neutrino, axion?

26 原子核物理 天文天体物理 Next Strategy Presupernova phase Burst phase Accretion phase Cooling phase 26 親星 Extremely nearby 親星 Cooling phase の情報で EOS を特定して Accretion phase での親星予想を修正する? 原子核 EOS 元素合成 (<Fe) Sterile neutrino, axion? 爆発メカニズム 原子核 EOS 元素合成 (weak r) Sterile neutrino, axion?

27 まとめ 超新星の ν 放出には 3 つのフェイズがある Presupernova, burst-accretion phase, cooling phase それぞれで親星 爆発メカニズム 原子核 EOS などが分かる Accretion phase では O-core あたりの親星の構造がよく分かる これは Presupernovae で得られる情報とどういう違いがあるのか? ν は親星の構造をよく反映するので faint supernova が重い星起源か軽い星起源かは ν 観測ではっきりする 爆発メカニズムは激しければニュートリノの時間変化が特徴的 27 原子核 EOSについてはcooling phaseを見るべき

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