ガンマ線バーストジェットの開き角 θ j ~CxΓ 0 -1 (C~1/5)

ガンマ線バーストジェットの開き角

θj~CxΓ0

-1 (C~1/5)

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

水田　晃 (KEK)

井岡邦仁(KEK)

ロングガンマ線バーストの概念図 1010cm105cm 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

Meszaros(2001)

Long GRB-SN associationGRB980425/SN1998bw GRB030329/SN2003dhXRF060218/SN2006ajGRB091127/SN2009nzXRF100316D/SN2010bh




Meszaros(2001)





Meszaros(2001)


MacFadyen+1999Nagataki 2009,2011 (B)Sekiguchi +2011(ν)




Meszaros(2001)




Zhang+2009, Van Eerten+'10,'11,'12



Meszaros(2001)



ロングガンマ線バーストの概念図



1010cm105cm 1012-13cm 1015-17cm


Zhang+2009, Van Eerten+'10,'11,'12

Meszaros(2001)


t=6.5s

log(ρ)

Aloy+2000Zhang+2003,2004,Mizuta+2006,2009,2011Morsony+2007,Nagakura 2011,2012

ジェット

コクーン

ジェット

Mizuta+2012

t=6.5s t=20s

log(ρ) log(ρ)


ジェット

コクーン

ジェット

Mizuta+2012

t=6.5s t=20s

t=165s

log(ρ) log(ρ)

log(ρ)Aloy+2000Zhang+2003,2004,Mizuta+2006,2009,2011Morsony+2007,Nagakura 2011,2012

ジェット

コクーン

ジェット

Mizuta+2012

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。

t=20s

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。

t=6.5s

Γ Γ

Γ 自由膨張

複雑で細い構造


Mizuta+2012

ジェット

ジェットの開き角はどのように決まるか？

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 ?

Γ0 ~θ0 -1 Γ0 ~θ0

-1

High densitystellar envelopes

Naive expectation Our model

relativistic beamingeffect

Elongated:Aspect ratio is not correct

高解像度ジェットシミュレーション (2D 軸対称 )ρ

Γ pprogenitor surface

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

数値拡散によるbaryon loading(from stellar envelopes)

hΓ がジェット先端まで保存している。

hΓ (=const along stream line, steady state : 相対論的ベルヌーイの定理 )

Why is high resolution necessary ?

Along jet axis

h: 単位質量あたりのエンタルピー >=1

Γ0=5

mass density Lorentz factor

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る。円筒状ジェット内部には斜め衝撃波が繰り返し現れる。

jet injection

Bromberg + (2011)collimation shock + jet: 円筒状 (Γ~Γ0)

Γ0=5 Γ0=2.5

See also Komissarov & Falle 1998

Cocoon confinement (jet breakout 前 )

Cocoonpressure

Γ0

θ0~1/Γ0

xnew=xold+vr,zxΔtparticle trace

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。

xnew=xold+vr,zxΔt

Probe particles

ρ t=2.3s ρ t=4.6scocoon

テスト粒子の軌跡 (32 粒子 t=5 s に注入 )

θj

親星表面直線的な軌跡( 自由膨張 )

最も外側の粒子で開き角を定義する

ジェットブレイクアウト

~0.02=1/10X1/5

~0.04=1/5X1/5

~0.08=1/2.5X1/5

10s after shock breakθj~Γ0

-1 x1/5

開き角の時間進化

Pc~ const Γ~Γ0

Pc~ r-2 at break acceleration Γ~5xΓ0

Pc~ r-4 after reak

p

コクーン内部の圧力構造

Cocoon confinement

Stellar surfacde

Fong et al. (2012)

(t_d>2s))

(t_d<2s))

ジェットの開き角分布

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 ?

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

Bromberg, Levinson (2009)

Γ0=20

Γ0=10

Γ0=5

Collimation shockthin layer

Why is high resolution necessary ?

θ0=1/Γ0

ambient gas

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ガンマ線バーストジェットの開き角 θ j ~CxΓ 0 -1 (C~1/5)