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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)

ガンマ線バーストジェットの開き角 θ j ~CxΓ 0 -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. 10 5 cm. 10 10 cm. 10 12-13 cm. 10 15-17 cm. Meszaros(2001). 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. Long GRB-SN association

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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)

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. ロングガンマ線バーストの概念図 105cm 1010cm 1012-13cm 1015-17cm Meszaros(2001) 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 Long GRB-SN association GRB980425/SN1998bw GRB030329/SN2003dh XRF060218/SN2006aj GRB091127/SN2009nz XRF100316D/SN2010bh

  3. ロングガンマ線バーストの概念図 105cm 1010cm 1012-13cm 1015-17cm Meszaros(2001) 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 Long GRB-SN association GRB980425/SN1998bw GRB030329/SN2003dh XRF060218/SN2006aj GRB091127/SN2009nz XRF100316D/SN2010bh

  4. ロングガンマ線バーストの概念図 105cm 1010cm 1012-13cm 1015-17cm Meszaros(2001) MacFadyen+1999 Nagataki 2009,2011 (B) Sekiguchi +2011(ν) 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 Long GRB-SN association GRB980425/SN1998bw GRB030329/SN2003dh XRF060218/SN2006aj GRB091127/SN2009nz XRF100316D/SN2010bh

  5. ロングガンマ線バーストの概念図 105cm 1010cm 1012-13cm 1015-17cm Meszaros(2001) MacFadyen+1999 Nagataki 2009,2011 (B) Sekiguchi +2011(ν) 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 Long GRB-SN association GRB980425/SN1998bw GRB030329/SN2003dh XRF060218/SN2006aj GRB091127/SN2009nz XRF100316D/SN2010bh

  6. ロングガンマ線バーストの概念図 105cm 1010cm 1012-13cm 1015-17cm Meszaros(2001) Zhang+2009, Van Eerten+'10,'11,'12 MacFadyen+1999 Nagataki 2009,2011 (B) Sekiguchi +2011(ν) 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 Long GRB-SN association GRB980425/SN1998bw GRB030329/SN2003dh XRF060218/SN2006aj GRB091127/SN2009nz XRF100316D/SN2010bh

  7. ロングガンマ線バーストの概念図 105cm 1010cm 1012-13cm 1015-17cm Meszaros(2001) Zhang+2009, Van Eerten+'10,'11,'12 MacFadyen+1999 Nagataki 2009,2011 (B) Sekiguchi +2011(ν) 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 Long GRB-SN association GRB980425/SN1998bw GRB030329/SN2003dh XRF060218/SN2006aj GRB091127/SN2009nz XRF100316D/SN2010bh

  8. 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

  9. t=20s t=6.5s ジェット ジェット log(ρ) log(ρ) コクーン Aloy+2000 Zhang+2003,2004, Mizuta+2006,2009,2011 Morsony+2007, Nagakura 2011,2012 Mizuta+2012

  10. t=20s t=6.5s ジェット ジェット log(ρ) log(ρ) コクーン 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

  11. t=20s t=6.5s 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。 複雑で細い構造 Aloy+2000 Zhang+2003,2004, Mizuta+2006,2009,2011 Morsony+2007, Nagakura 2011,2012 Γ 自由膨張 Mizuta+2012

  12. 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 ?

  13. 高解像度ジェットシミュレーション (2D 軸対称) ρ 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 Γ Elongated:Aspect ratio is not correct

  14. Why is high resolution necessary ? h: 単位質量あたりの エンタルピー>=1 hΓ (=const along stream line, steady state : 相対論的ベルヌーイの定理) hΓがジェット先端まで保存している。 Along jet axis 数値拡散による baryon loading (from stellar envelopes)

  15. Γ0=5 mass density Lorentz factor

  16. Cocoon confinement (jet breakout 前) Cocoon pressure Γ0 Γ0=2.5 θ0~1/Γ0 Γ0=5 jet injection 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。 Bromberg + (2011) collimation shock + jet: 円筒状 (Γ~Γ0) See also Komissarov & Falle 1998

  17. Probe particles ρ ρ t=2.3s t=4.6s 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。 xnew=xold+vr,zxΔt xnew=xold+vr,zxΔt particle trace

  18. 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 θj 直線的な軌跡 (自由膨張) 親星表面

  19. 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

  20. コクーン内部の圧力構造 Pc~ const Γ~Γ0 Pc~ r-2 at break accelerationΓ~5xΓ0 Cocoon confinement Pc~ r-4 after reak Stellar surfacde p

  21. 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)

  22. 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

  23. Why is high resolution necessary ? Collimation shock thin layer Γ0=20 ambient gas Γ0=10 Γ0=5 θ0=1/Γ0 Bromberg, Levinson (2009)

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