Transcript ガンマ線バーストジェットの開き角

ガンマ線バーストジェットの開き角
θj~CxΓ0-1 (C~1/5)
水田 晃(KEK)
井岡邦仁
(KEK)
2012年度理論懇シンポジウム
「計算宇宙物理の新展開」
@つくば国際会議場 24.12.12
ロングガンマ線バーストの概念図
Meszaros(2001)
105cm
1010cm
Long GRB-SN association
GRB980425/SN1998bw
GRB030329/SN2003dh
XRF060218/SN2006aj
GRB091127/SN2009nz
XRF100316D/SN2010bh
1012-13cm
1015-17cm
エンジン(ジェット形成)から
放射まで10桁以上にもわたる
スケールの現象
各フェーズを個々に解析
ロングガンマ線バーストの概念図
Meszaros(2001)
105cm
1010cm
Long GRB-SN association
GRB980425/SN1998bw
GRB030329/SN2003dh
XRF060218/SN2006aj
GRB091127/SN2009nz
XRF100316D/SN2010bh
1012-13cm
1015-17cm
エンジン(ジェット形成)から
放射まで10桁以上にもわたる
スケールの現象
各フェーズを個々に解析
ロングガンマ線バーストの概念図
Meszaros(2001)
105cm
1010cm
1012-13cm
1015-17cm
MacFadyen+1999
Nagataki 2009,2011 (B)
Sekiguchi +2011(ν)
Long GRB-SN association
GRB980425/SN1998bw
GRB030329/SN2003dh
XRF060218/SN2006aj
GRB091127/SN2009nz
XRF100316D/SN2010bh
エンジン(ジェット形成)から
放射まで10桁以上にもわたる
スケールの現象
各フェーズを個々に解析
ロングガンマ線バーストの概念図
Meszaros(2001)
105cm
1010cm
1012-13cm
1015-17cm
MacFadyen+1999
Nagataki 2009,2011 (B)
Sekiguchi +2011(ν)
Long GRB-SN association
GRB980425/SN1998bw
GRB030329/SN2003dh
XRF060218/SN2006aj
GRB091127/SN2009nz
XRF100316D/SN2010bh
エンジン(ジェット形成)から
放射まで10桁以上にもわたる
スケールの現象
各フェーズを個々に解析
ロングガンマ線バーストの概念図
Meszaros(2001)
105cm
1010cm
1012-13cm
1015-17cm
Zhang+2009,
Van Eerten+'10,'11,'12
MacFadyen+1999
Nagataki 2009,2011 (B)
Sekiguchi +2011(ν)
Long GRB-SN association
GRB980425/SN1998bw
GRB030329/SN2003dh
XRF060218/SN2006aj
GRB091127/SN2009nz
XRF100316D/SN2010bh
エンジン(ジェット形成)から
放射まで10桁以上にもわたる
スケールの現象
各フェーズを個々に解析
ロングガンマ線バーストの概念図
Meszaros(2001)
105cm
1010cm
1012-13cm
1015-17cm
Zhang+2009,
Van Eerten+'10,'11,'12
MacFadyen+1999
Nagataki 2009,2011 (B)
Sekiguchi +2011(ν)
Long GRB-SN association
GRB980425/SN1998bw
GRB030329/SN2003dh
XRF060218/SN2006aj
GRB091127/SN2009nz
XRF100316D/SN2010bh
エンジン(ジェット形成)から
放射まで10桁以上にもわたる
スケールの現象
各フェーズを個々に解析
t=6.5s
ジェット
ジェット
log(ρ)
コクーン
Aloy+2000
Zhang+2003,2004,
Mizuta+2006,2009,2011
Morsony+2007,
Nagakura 2011,2012
Mizuta+2012
t=20s
t=6.5s
ジェット
ジェット
log(ρ)
コクーン
Aloy+2000
Zhang+2003,2004,
Mizuta+2006,2009,2011
Morsony+2007,
Nagakura 2011,2012
log(ρ)
Mizuta+2012
t=20s
t=6.5s
ジェット
ジェット
log(ρ)
コクーン
log(ρ)
t=165s
コラプサーからのGRBジェットは
先端に複雑な内部構造を持っている
単純な conical ではなく、細い。
Aloy+2000
Zhang+2003,2004,
Mizuta+2006,2009,2011
Morsony+2007,
Nagakura 2011,2012
log(ρ)
Mizuta+2012
t=6.5s
t=20s
ジェット
Γ
Γ
t=165s
コラプサーからのGRBジェットは
先端に複雑な内部構造を持っている
単純な conical ではなく、細い。
Aloy+2000
Zhang+2003,2004,
Mizuta+2006,2009,2011
Morsony+2007,
Nagakura 2011,2012
複雑で細い構造
Γ
自由膨張
Mizuta+2012
ジェットの開き角はどのように決まるか？
Naive expectation
Our model
relativistic beaming
effect
Γ0 ~θ0 -1
Γ0 ~θ0 -1
High density
stellar envelopes
コラプサーからのGRBジェットは親星外層との相互作用でジェットに
構造ができる。ジェットブレイクアウト前ではジェットは十分な
熱エネルギーを持っていてもあまり加速されない (Γ~O(10)).
Numerical simulations by Zhang et al.,Mizuta et al., Lazzati et al.,
Nagakura et al.
Analytic work by Bromberg et al. (2011)
How about after shock break ?
高解像度ジェットシミュレーション (2D 軸対称)
ρ
Γ
Elongated:Aspect ratio is not correct
jet break 時にジェット、コクーンを
高解像度で捕獲
(Δzmin=Δr min=107cm / Δzmin=Δr min=5x106cm)
Ej=5x1050erg/s, r=8x107cm
h0Γ0=Γ∞=533
Γ0=2.5, 5, 10
Progenitor : Woosley & Heger(2006)
M~14Msun, R*=4x1010cm
progenitor surface
p
Why is high resolution necessary ?
h: 単位質量あたりの
hΓ (=const along stream line, steady state :
相対論的ベルヌーイの定理) エンタルピー>=1
Along jet axis
hΓ がジェット先端まで
保存している。
数値拡散による
baryon loading
(from stellar
envelopes)
Γ0=5
mass density
Lorentz factor
Cocoon confinement (jet breakout 前)
Cocoon
pressure
Γ0
θ0~1/Γ0
jet injection
Bromberg + (2011)
collimation shock
+
jet: 円筒状 (Γ~Γ0)
See also Komissarov & Falle 1998
Γ0=5
Γ0=2.5
初期に開き角を持ったジェットは collimation shock
まで加速、collimation shock を通過後ほぼ円筒状とな
円筒状ジェット内部には斜め衝撃波が繰り返し現れる。
Probe particles
ρ
t=2.3s
ρ
cocoon
0.01s 毎に32 個のテスト粒子を注入。
流体素片の Lagrange motion の追跡が可能に。
particle trace
xnew=xold+vr,zxΔt
t=4.6s
テスト粒子の軌跡 (32 粒子 t=5 s に注入)
最も外側の粒子で
開き角を定義する
親星表面
直線的な軌跡
(自由膨張)
θj
開き角の時間進化
ジェットブレイクアウト
10s after shock break
θj~Γ0-1 x1/5
~0.08=1/2.5X1/5
~0.04=1/5X1/5
~0.02=1/10X1/5
コクーン内部の圧力構造
Pc~ const Γ~Γ0
Cocoon
confinement
Pc~ r-2 at break
acceleration Γ~5xΓ0
Pc~ r-4 after reak
Stellar surfacde
p
ジェットの開き角分布
(t_d>2s))
(t_d<2s))
θj=1/5Γ0<0.2 rad~10grees
光度一定、一様ジェットモデルでは
大きな開き角のジェットを再現できない
==>Structured jet ?
Fong et al. (2012)
まとめ
●コラプサーからのGRBジェットの高解像度流体シミュレーション
を行った
– low numerical baryon loading
●jet breakout 直前にジェットが加速する。親星表面での密度構造
が exponential dropの
Lorentz factor increases to about 5xΓ0 at the jet breakout.
●ジェットの開き角は jet breakout 後少なくとも数秒間は
θj~CxΓ0-1 (C~1/5: 親星表面に依存)
●今回考えたような一様ジェットでは大きい開き角のジェットは
再現しにくい
=＞Structured jet ? – high Γ + low Γ
Why is high resolution necessary ?
Γ0=20
thin layer
Collimation shock
ambient gas
Γ0=10
Γ0=5
θ0=1/Γ0
Bromberg, Levinson (2009)