素核宇宙融合レクチャーシリーズ第13回“ロングガンマ線バーストのエンジンとは?” CRIKEN  長瀧天体ビッグバン研究室理化学研究所准主任研究員長瀧重博主催:計算基礎科学連携拠点(JICFuS) HPCI戦略プログラム分野5「物質と宇宙の起源と構造」共催: 理化学研究所iTHESプロジェクト2014年11月27日-28日、理研和光キャンパス
Figure from P. Meszaros: Modified by S.N.何故超新星爆発機構ではだめなのか？ •ガンマ線バースト(ジェット)を説明出来ない(光速の〜0.9999倍の速度)。 •極超新星を説明出来ない(10倍の爆発エネルギー)。 •発生頻度からもガンマ線バースト•極超新星は特別。異なる爆発機構でガンマ線バースト•極超新星になるのだろう。
E = Mc²Γ = 1051erg Eはガンマ線バースト流体のエネルギー Mはガンマ線バースト流体の静止質量たとえば「=500ならM〜太陽質量の百万分の一！ <<  親星の質量〜10倍太陽質量。極度なエネルギー集中が必要！
杉悠持不足。車力により潰れる超新星標準！容度上昇。ニュートリノすら時じ込められるのを次面が厚生ified.興に経康上昇。中性子星形成。非常に固くなる。反跳による爆発波面形成。ニュートリノによる加級。
© A. Roquette (ESO)
超新星10000000000000000000000000000000000000000000000000 erg極超新星1000000000000000000000000000000000000000000000000000000 erg超新星1 FOE極超新星 10 FOE
中性子星の自己重力エネルギー:   〜10^53 erg解放されたエネルギーの担い手:  ニュートリノニュートリノと物質の相互作用: 弱い相互作用(1%程度) →　爆発エネルギー　～　10^53erg　×　1% = 10^51 erg.このいずれか、あるいは全てを根本的に変えないとガンマ線バーストにならない。
活動銀河核ケンタウルスA (NASA)カニパルサー (回転中性子星)
解放されるエネルギーを大きくする。中性子星でなくクオーク星自己重力エネルギー中性子星でなくブラックホール降着エネルギー (ブラックホールに降り積もる物質が解放する重力エネルギー)回転エネルギー
エネルギーの担い手:エネルギー効率を高くする中性子星の回転エネルギーをブラックホールを取り巻く円盤の回転エネルギーを磁場に変換。磁場に変換。 Takiwaki+09ブラックホールの回転エネルギーを電磁場を介して抽出する(Blandford-Znajek効果1977)。シミュレーションはMcKinney & Blandford 09
超新星:ニュートリノと物質の相互作用(1%) GRB:   ニュートリノとニュートリノの相互作用?図はThorne & Macdonald 1986より。矢印は磁力線。
エネルギー源は中性子星の回転エネルギー。回転エネルギーを剛体球回転近似で評価すると
○従って、高速、強磁場中性子星ならば、ガンマ線バースト・極超新星のエネルギー・継続時間を自然に説明出来そうである。 A爆発エネルギーは高々10^53erg?クォーク星ならより高いエネルギーを出せる？図:上  Takiwaki+09下Komissarov & Barkov 07
エネルギー源はブラックホールに落ちていく物質の重力ポテンシャルエネルギー
9/4 Zalamea & Beloborodov  11ュートリノ対消滅効率は質量降着率に大きく依存する。 GRB・極超新星を実現する条件は結構難しいという指摘もある。 S.N., Takahashi, Mizuta, Takiwaki 07 etot [×1050 erg S.N., Kohri, Ando, Sato 03図はMacFadyen & Woosley 99
エネルギー源はブラックホール周囲に出来る円盤の回転エネルギー。回転軸回転エネルギーを剛体回転平板近似で評価すると(円盤半径にて重力＝遠心力を仮定)、
マグネターに近い状況。但し降着と共に次第に磁力線はブラックホールにアンカーされていく。
black - disk hole tall slender tower Uzdensky & MacFadyen 06 S.N., Takahashi, Mizuta, Takiwaki 07
Blandford-Znajek 1977エネルギー源はブラックホールの回転エネルギー。
ブラックホールからPoyinting Fluxの形でエネルギーが湧き出てくる。その結果ブラックホール周囲の電磁場が増幅される。電磁場と結合している流体も影響を受ける。一般相対論的効果Thorne & Macdonald 1986 S.N. 12
•アインシュタイン氏が一般相対性理論(アインシュタイン方程式)を提唱(1915年)。 ・アインシュタイン方程式の解として、ブラックホール解が発見される。 •回転していないブラックホール解の発見:シュワルツシルト氏、1917年。 •回転しているブラックホール解の発見:カー氏、1963年。
•地平面に突入すると、どんなものでも脱出することが出来ない。 •すべてを吸い込む天体。太陽質量の10倍のブラックホールが地球から600km離れた場所にあると想定して、背景の天の川銀河がどのように見えるかを理論的に計算したシミュレーション（Ute Kraus氏、2004年）。 Gμν  =  8πG Tμν  アインシュタイン方程式d² x λ d72 + Γλ  dxP dxP自由落下の方程式
•ブラックホールの重力エネルギーはブラックホールの蒸発機構(ホーキング氏、1974年)で引き抜ける（量子効果）。効率は良くない(10倍の太陽質量のブラックホールが蒸発するのに10^70年)。 •ブラックホールの回転エネルギーは、効率よく引き抜ける可能性がある（ペンローズ氏、1971年;ブランドフォード・ズナジェック氏、 1977年) (古典的効果)。
注:ガンマ線バーストの爆発時間〜1-10秒
回転しているブラックホールからエネルギーは引き出せる:ペンローズ過程Roger Penrose (1971) Roger Penrose (1931-)回転しているブラックホールの概念図(Wikipediaより)
入ってくる粒子（F。） EO = E1 + E2 E2 < 0従って、E1 > E0 （エネルギー獲得）回転しているブラックホールからエネルギーは引き出せる:ブランドフォード・ズナジェック過程Blandford and Znajek (1977) 2005年カナダの会議左: Roger Blandford氏右:私ゆっくり回転している電磁場が、それより速く回転しているブラックホールに吸い込まれることによりエネルギーの流れとしては外向きになる。ブラックホールの回転エネルギーが効率よく引き抜かれる。
M. Barkov (RIKEN)回転軸色は密度線は磁力線赤道面
•ガンマ線バースト•極超新星の中心エンジンは殆ど理解されていない。 .回転は全てのシナリオに共通して重要(ジェット形成のため)。 ・コンパクト星型モデル:マグネター、クォーク星型マグネター ●ブラックホール型モデル:コラプサー、磁場入りコラプサー、 BZ-コラプサー .ほぼ未開拓で若い分野。様々な新しい可能性（重力波、ニュートリノ、元素合成など）。ガンマ線バーストのコンピューターグラフィクスNASAのホームページより定