ガンマ線バーストジェットの開き角 水田 晃(KEK) 井岡邦仁 (KEK) θj~CxΓ0-1 (C~1/5)

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1 ガンマ線バーストジェットの開き角 水田 晃(KEK) 井岡邦仁 (KEK) 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

2 ロングガンマ線バーストの概念図 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
105cm 1010cm cm 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 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 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
105cm 1010cm cm 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 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 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
105cm 1010cm cm cm 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 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
105cm 1010cm cm cm 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 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
105cm 1010cm cm cm 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 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
105cm 1010cm cm cm 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 log(ρ) t=6.5s ジェット ジェット コクーン Aloy+2000 Zhang+2003,2004,
Mizuta+2006,2009,2011 Morsony+2007, Nagakura 2011,2012 Mizuta+2012

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

10 log(ρ) log(ρ) log(ρ) t=20s t=6.5s t=165s コラプサーからのGRBジェットは
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 Γ Γ Γ t=20s t=6.5s 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 複雑で細い構造
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 ρ p Γ 高解像度ジェットシミュレーション (2D 軸対称) progenitor 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 progenitor surface p Γ Elongated:Aspect ratio is not correct

14 Why is high resolution necessary ?
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)
pressure Γ0 θ0~1/Γ0 Γ0=5 Γ0=2.5 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 xnew=xold+vr,zxΔt xnew=xold+vr,zxΔt cocoon ρ ρ
t=2.3s ρ 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 10s after shock break θj~Γ0-1 x1/5 開き角の時間進化 ジェットブレイクアウト

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

21 ジェットの開き角分布 θj=1/5Γ0<0.2 rad~10grees (t_d>2s)) (t_d<2s))
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
　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)