2018/7/24 第48回天文・天体物理若手 夏の学校
@豊橋

行き先は中性子星
超新星の爆発機構と天体核物理への招待

滝脇知也(国立天文台理論部)

1目次
1. 天体核物理としての超新星爆発
2. なぜ超新星は爆発しないのか？
3. 爆発メカニズム バトルロイヤル
4. マルチメッセンジャー観測への期待
5. まとめ2

重力崩壊型超新星: 星の最期?
/BH

3

どうやって起こるのか？

天体核物理と超新星爆発の研究
1950

1970

1990

2000

林畑忠中四武郎夫

佐
藤勝彦

山田章
一住
吉光介

2010
固武慶

滝脇知也

諏訪雄
大

超新星の中で何が起こっているのか？多くの研究者が情熱を注いだ．もちろん実際にはもっと多くの人が研究したが，ここでは限られた人だけを紹介．
4（新人の方は省略してすみません orz）

天体核物理と超新星爆発の研究
1950

1970

林 畑巨忠 中星の四 武研郎 夫究場佐 ニ
ュの藤 理
勝 リト 論彦 ノ核
湯物川理を秀天
樹体
応
用5と原子
小ハ 益核
ン 林川のス 誠敏反応
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1990
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田原章理
一 シ
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2000
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2010
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流輸
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ミ チ
ュ メ
ノーベル賞級の学者に動機づけ レ ッ
セられた伝統的研究。
シンョ ジ
今が実りの時期ンャュレ核力の定性的な性質

働く力 [10^4N]

陽子同士や間、中性子同士間は斥力
陽子と中性子間は（ある半径まで）引力
核反応の性質1. 陽子の数と中性子の数が等しいものは集まったがほうが安定する。ただし陽子が多すぎると不安定に。

斥力2. 陽子同士の電磁気的反発に運動エネルギーが勝つ温度で反応が進行。

引力
陽子と中性子の距離 [fm]6

©Wikipedia

3. 高密度では反発する

星の進化と元素合成

水素

ヘリウム
炭素

１００万年前7１００年前

酸素

３日前
シリコン
野本憲一編

鉄
元素はいかにつくられたか原子核と束縛エネルギー
←核融合
n,pHe
C
O
Si
Fe, Ni

光分解→
核融合：質量数が増加、束縛エネルギー増加
エネルギー解放
光分解：質量数が減少、エネルギー吸収

重力崩壊とコアバウンス

鉄の光分解は吸熱反応なので重力＞圧力になってつぶれる。
9

つぶれすぎると核密度に達して重力＜圧力になって反発中性子星の誕生:原子核星の中で原子核、電子は電子プラズマ状態。
圧力は電子が担う。
原子核の変化は熱のやり取りをする。
電子のエネルギーを増したり奪ったり。

密度=質量/体積

密度があまりに高くなると原子核どうしがくっつき、圧力として効く。
出来たばかりの中性子星は３０％が陽子で７０％が中性子．
その後、電子捕獲反応でどんどん中性子の割合が増える．
10

目次
1. 天体核物理としての超新星爆発
2. なぜ超新星は爆発しないのか？
3. 爆発メカニズム バトルロイヤル
4. マルチメッセンジャー観測への期待
5. まとめ11Entropy

12典型的な密度、速度、エントロピー
Density

Velocity
Radius[km]Radius[km](1) 重力崩壊(2) 核力によるコアバウンス(3) 衝撃波伝搬と停滞

Entropy(~T^3/ρ)
13

Radius[km]なぜ衝撃波が止まるのか？
Radial Velocity

Shock

衝撃波の中
熱エネルギー（圧力）優勢
陽子と中性子鉄の降着
力学的エネルギー優勢
Ram Pressure

衝撃波の境界で内側の圧力と外側の力学的圧力が釣り合う.

外側の力学的圧力は星の構造に依存
RadiusEntropy~T^3/ρ

ニュートリノ加熱（原始中性子星）
14

Fe=>n, p

衝撃波中の圧力は以下の２つの過程で決まる(1) 鉄の光分解

光分解による冷却(2) ニュートリノ加熱

なぜ衝撃波が止まるのか？
Radial Velocity

Shock

衝撃波の中
熱エネルギー（圧力）優勢
陽子と中性子鉄の降着
力学的エネルギー優勢
Ram Pressure

衝撃波の境界で内側の圧力と外側の力学的圧力が釣り合う.

外側の力学的圧力は星の構造に依存
RadiusEntropy~T^3/ρ

ニュートリノ加熱（原始中性子星）
15

Fe=>n, p

衝撃波中の圧力は以下の２つの過程で決まる(1) 鉄の光分解

光分解による冷却(2) ニュートリノ加熱

なぜニュートリノが加熱に寄与？
Janka 01-Cooling term-Heating term

冷却はその場の温度で決まる
加熱は中心の温度と半径で決まる
半径依存性に直すと外側で加熱が優位になる。

超新星の大問題
自然には爆発している超新星がシミュレーションでは爆発しない！
１９８０年代からの大問題。
２０００年から２００５年の研究で、（１次元の仮定では）超新星が爆発しないことが明らかに。

Hot water(Liebendoerfer+2001, Rampp+2002,Thompson+2003 and Sumiyoshi+2005)

Microwave oven

17

cap
ice
Cold water(in 1D)ニュートリノ加熱＜ 鉄の降着の強さ

イメージ
鉄陽子，中性子cap
氷冷たい水

原始中性子星

熱いお湯
電子レンジ

18

目次
1. 天体核物理としての超新星爆発
2. なぜ超新星は爆発しないのか？
3. 爆発メカニズム バトルロイヤル
4. マルチメッセンジャー観測への期待
5. まとめ19

爆発メカニズム バトルロイヤル
1. 対流
2. 回転
3. SASI
4. 音波
5. 磁気音波
6. 磁気回転20

先に結論を言うと対流あるいはSASIが有望
ただし基本的には理論研究での比較であり、観測的証拠はない。

爆発メカニズムとは？
天体現象の爆発メカニズムの解明とは以下を明らかにすること。
1.

大本のエネルギーは何か？

2.

エネルギーの種類はどう変化するか？
位置エネルギー、力学的エネルギー、熱エネルギー、磁場のエネルギー etc

3.

エネルギーはどう輸送されるのか？

21３の輸送がある場合には流体シミュレーションが必要。
２の種類によっては磁気流体、輻射流体など、凝った手法に。

ニュートリノ加熱メカニズム
大本のエネルギーは何か？
熱エネルギー
2. エネルギーの種類はどう変化するか？
熱エネルギー→ニュートリノエネルギー→熱エネルギー
3. エネルギーはどう輸送されるのか？
原始中性子星からゲイン領域の底へ
1.

Fe=>n, pProto
NeutronStar

ニュートリノ加熱

熱エネルギー
22

光分解による冷却様々な爆発メカニズムのまとめメカニズム エネルギー源

エネルギーの種類や輸送

ニュートリノ加熱

熱エネルギー

ニュートリノによる輸送

対流

熱エネルギー

対流による輸送回転
音波

熱エネルギー＋回転エネルギー
降着のエネルギー

回転により誘起される対流による輸送
音波

磁気音波

原始中性子の対流

アルフベン波で輸送

磁気回転

回転エネルギー

回転エネルギーを磁気エネルギーに変換

23

爆発メカニズム バトルロイヤル
1. 対流
2. 回転
3. SASI
4. 音波
5. 磁気音波
6. 磁気回転24

先に結論を言うと対流あるいはSASIが有望
ただし基本的には理論研究での比較であり、観測的証拠はない。

25

対流による熱輸送
Entropy~T^3/ρconvective
Energy transport

Fe=>n, pProto
NeutronStar

Heated byneutrinocooled byphotodissociation

ニュートリノがゲイン領域の底を温める

熱いものが冷たいものの下にいる＝＞対流不安定
熱いものと冷たいものが混ざる＝正味の熱輸送

Radius

初期より冷たい26

初期より熱い！

ニュートリノ加熱爆発のイメージ
フタ

氷
対流

水
お湯

マイクロ波

電子レンジ

（１）温めてフタを吹き飛ばせば爆発！
（２）氷が入っていると… （３）かきまぜると…

爆発メカニズム
1. 対流
2. 回転
3. SASI
4. 音波
5. 磁気音波
6. 磁気回転28

バトルロイヤル

先に結論を言うと対流あるいはSASIが有望
ただし基本的には理論研究での比較であり、観測的証拠はない。

初期の鉄コアの自転
log角運動量[10^14cm^2/s]

線：星の進化の計算
点：観測我々のモデル

B-field
磁場なし
初期の1/10
磁場あり
初期の1/1000log初期質量[M_s]Langer2012

星の進化の磁場の計算は現象論的なことに注意が必要
進化計算を信じれば我々のモデルは最大限自転している場合に対応。

27.0M_s R2.030

回転による対流的効果
Energy transport by thermal convection
Entropy~T^3/ρ

Heated byneutrino

Fe=>n, pcooled byphotodissociation

Energy transport by
Rotation andMagnetic fieldProto
NeutronStar~20km

Ye~0.131~100km
Ye~0.5~200km
Radius爆発メカニズム
1. 対流
2. 回転
3. SASI
4. 音波
5. 磁気音波
6. 磁気回転32

バトルロイヤル

先に結論を言うと対流あるいはSASIが有望
ただし基本的には理論研究での比較であり、観測的証拠はない。
SASI:
Standing Accretion shock instability
定在降着衝撃波不安定席

SASIによる爆発機構
Standing Accretion Shock Instability
衝撃波と原始中性子星で音波と渦を跳ね返しあって，大きなスケールの振動をつくる．

Foglizzo
2D Axi-symmetric Takiwaki+2012
33

SASIはどう爆発に寄与するのか？

Impose large perturbation

Blondin+2003

Nagakura+2012

SASIによって衝撃波がゆがみ、一つの方向にエネルギーが集中することによって爆発する。圧力が~70%程度あがると爆発に転じる。

SASI in 2D and 3D
２Ｄ

３Ｄ

２次元だと非常に有望な説だが、残念ながら３次元だと２次元ほどは強くは起こらない。

SASIはどんなときに起きる？
クリティカルカーブ：
質量降着率（ラム圧）とニュートリノ光度がつりあう線（定性的）convection

SASI

ν光度がそれより高ければ爆発
SASIは爆発しない側や質量降着率が高い側で起きやすい．

Iwakami+ 2013

GR効果でSASI復活？
Kuroda+2016

一般相対性理論の効果で衝撃波が小さくなると、SASIが効きやすくなる。

３次元計算でも本当は効いているのかもしれない。

37

爆発メカニズム
1. 対流
2. 回転
3. SASI
4. 音波
5. 磁気音波
6. 磁気回転38

バトルロイヤル

先に結論を言うと対流あるいはSASIが有望
ただし基本的には理論研究での比較であり、観測的証拠はない。

音波による爆発
衝撃波

原始中性子星39

メカニズム：
降着流が中性子星を叩き，その結果中性子星が振動し音波を出す．
音波が衝撃波付近で熱化し，衝撃波復活を助ける．
Burrowsがシミュレーションを根拠に主張．定量性などあいまいだった．
Harada+2017で定量的になり、起こればニュートリノ加熱を助ける可能性はあり。

Burrows+2006, Harada+2017

音波による爆発
衝撃波

原始中性子星問題点：
降着流は100Hzぐらいのゆれで中性子星の重力波はkHzぐらい．100HzでたたいてKHzのものを誘起できるのか？
現象の再現性に欠ける．

40

Burrows+2006

爆発メカニズム
1. 対流
2. 回転
3. SASI
4. 音波
5. 磁気音波
6. 磁気回転41

バトルロイヤル

先に結論を言うと対流あるいはSASIが有望
ただし基本的には理論研究での比較であり、観測的証拠はない。

磁気音波による爆発
衝撃波

原始中性子星メカニズム：
中性子星内で起こる対流が磁力線を伝って外側に伝搬。衝撃波近くで散逸して物質を温める。
１次元シミュレーションを用いて、対流の強さ、磁気音波の散逸率などがパラメータで与えられているため、実際に起こるのかの検証が不十分。

42

Suzuki+08

爆発メカニズム
1. 対流
2. 回転
3. SASI
4. 音波
5. 磁気音波
6. 磁気回転43

バトルロイヤル

先に結論を言うと対流あるいはSASIが有望
ただし基本的には理論研究での比較であり、観測的証拠はない。

収縮したときのエネルギー増幅
半径が100分の１になったときの重力エネルギーの増幅

熱エネルギーへ転換
ニュートリノで放出

回転している場合に使えるエネルギー
44

磁場による爆発
700km

メカニズム：
磁場をねじって強力なバネを極付近に作る。.
バネが外側の圧力を跳ね返して爆発！

Jet & wound magnetic line
(entropy contour)
45

Sawai+05,08,13,14,15, Obergaulinger+05, Burrows+07, Takiwaki+09,11, Moesta+14磁場による爆発
700km

問題
強磁場＆強回転が必要（10倍x10倍ぐらい）
太陽金属量では無理か？
磁場はMRIで作れるかも．

Jet & wound magnetic line
(entropy contour)
46

中心の中性子星はマグネターになる．パルサーを作れない．

目次
1. 天体核物理としての超新星爆発
2. なぜ超新星は爆発しないのか？
3. 爆発メカニズム バトルロイヤル
4. マルチメッセンジャー観測への期待
5. まとめ47

重力波とニュートリノで星の内部を見る
電磁波では星の表面より外側しか見えない
重力波
重力波やニュートリノは星のニュートリノ 内側をみることができる。

電磁波
超新星爆発などは星の内部で起こる

透過性： 重力波＞ニュートリノ＞光
重力波とニュートリノと（もちろん）光で爆発メカニズムをどこまで理解できるか!?
48©宇宙科学研究所キッズサイト
http://www.kids.isas.jaxa.jp/zukan/space/nova.html

二種類のニュートリノ放出
ニュートリノの降着成分と拡散成分
物が中性子星に降着し強く叩く

中性子星に貯めこまれた電子がニュートリノに変化
49

降着成分は早いタイムスケールで放出中性子の回りの物質の運動を反映。
爆発メカニズムの情報。
拡散成分は遅いタイムスケールで放出中性子の物性を反映。

Tamborra+ 2014

パワー

IceCube観測数[ms^-1]

SASIが起きたときのニュートリノ信号

周波数[Hz]
バウンスからの時間[ms]SASIによる揺れがニュートリノ観測に現れる。
50

周波数空間でみると特徴がはっきりする。
⇒SASIの証拠
Tamborra+ 2013, 2014

対流とSASIをニュートリノ観測で区別
Walk+ 2018

パワー

SASI

対流
周波数[Hz]

SASIは大きくゆっくり揺れ、対流は小さく速く揺れるのでニュートリノ観測から区別可能。
51

回転の有無をニュートリノからパワー

HK観測数[ms^-1]

Takiwaki+2016, 2018

100

150

200

バウンスからの時間[ms]周波数[Hz]

回転している場合には回転の周波数に応じたニュートリノシグナルがはっきりでる。（SASIより強い）
52

SASIと定性的に区別するためには重力波等の観測も必要かもしれない。

重力波
 爆発メカニズムでも３次元の効果が重要だったが、重力波でも３次元の効果が重要
アインシュタイン方程式z近似して積分

プラス

y

四重極公式

積分
53

ρ：密度 v：速度

球対称な運動からは重力波はでない！

xマイナス

SASIからの重力波

Frequency [kHz]hKuroda+2016

Time after bounce [ms]54

衝撃波の揺れが中心部に伝わり、振動して重力波が生じる。

重力波
Andressen+201８
11.2M_s

SASIの強さ

27M_s

20M_s

20M_s
Strong ν55SASIが強いほど重力波も強めに。
ただし、SASIが弱くても見える成分もある。

自転爆発からの重力波
Takiwaki+2016, 2018

Time after bounce [ms]56

回転爆発からも重力波を生じ、周波数は自転の周波数の２倍に。

目次
1. 天体核物理としての超新星爆発
2. なぜ超新星は爆発しないのか？
3. 爆発メカニズム バトルロイヤル
4. マルチメッセンジャー観測への期待
5. まとめ57

まとめ
 超新星爆発の研究に６０年の歴史あり。

ノーベル物理学賞の方々にも助けられ研究が進み、今実りの時期
 １次元球対称の仮定ではニュートリノ加熱爆発がうまくいかず、様々な機構が提案された。
対流 and/or SASIが現状一番もっともらしい。ただし、観測的な証拠は何一つない。
 堅実派の方へ
３次元モデルは多量の計算資源を要求するので、パラメータ依存性などが調べにくい。また現象が複雑すぎるので本質を取り出した簡単なモデリングが求められている。
 ギャンブラーの方へもし、我々の銀河で超新星爆発が起こり、νやGWが思った通りのものでなかったらまたモデルが乱立するはず。
58 そこに備えるのも一興か。