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# 物理学# 高エネルギー天体物理現象# 一般相対性理論と量子宇宙論

星のダンス:崩れゆく巨人とブラックホール

この記事では、回転する巨大星がどのようにして超新星やブラックホールを形成するかを考察しているよ。

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星、ブラックホール、そして星、ブラックホール、そして爆発巨大な星の崩壊とその爆発的な結末を探る。
目次

星は夜空で明るく輝く巨大なガスの塊だよ。これらの星が燃料を使い果たすと、運命は劇的な出来事に繋がることがあって、特に超新星爆発みたいな大爆発が起きるんだ。この記事では、回転する巨大星がどうやってブラックホールを作り、その崩壊を通じて壮観な爆発を引き起こすかについて見ていくよ。

ブラックホールの形成

ブラックホールは、重力がすごく強くて何も逃げ出せない空間の領域なんだ、光すらもね。巨大な星が核燃料を使い果たすと、重力に対抗できなくなって崩壊する。コアは信じられないほど密度が高くなって、一定の質量を超えるとブラックホールになる。このプロセスで、星の外層が爆発して超新星が生まれることもあるよ。

回転する星の役割

いくつかの星はすごく速く回転してて、その回転は崩壊時に重要な役割を果たすんだ。これらの高速回転する星が崩壊すると、ブラックホールの周りにトーラスと呼ばれる物質のリングができる。星の回転が物質がブラックホールに落ちる様子に影響を与えて、爆発のエネルギーやダイナミクスに関わるんだ。

崩壊プロセスの理解

星が燃料を使い果たすと、コアの崩壊が突然起こる。もし星が回転していたら、物質が内側に渦巻きながら落ちてきて、ブラックホールの周りにトーラスを形成する。ブラックホールの重力が周囲の物質を引き寄せて、強い加熱とエネルギー放出が起こるんだ。

粘性加熱とエネルギー放出

物質がブラックホールに向かって落ちると、摩擦や乱流によって加熱されるんだけど、これを粘性加熱って呼ぶんだ。この加熱は爆発を引き起こすのに十分なエネルギーを提供することがあるよ。爆発で放出されるエネルギーの量はすごく大きく、しばしば通常の超新星が生み出すエネルギーを超えることもあるんだ。

質量と回転速度の役割

元の星の質量とその回転速度は、崩壊の結果に強い影響を与えるんだ。より重い星は通常、より強い重力を持っていて、よりエネルギーのある爆発を引き起こす。さらに、速い回転速度は加熱効果を強化する条件を生み出して、より強力な爆発に繋がることもあるよ。

崩壊プロセスのシミュレーション

これらの出来事を研究するために、科学者たちは崩壊する星とその結果生まれるブラックホールの物理をモデル化したコンピュータシミュレーションを使ってるんだ。これらのシミュレーションは、星の質量や回転速度、ブラックホール周辺の物質のダイナミクスなどの要因を考慮してるよ。

ブラックホールと超新星の観測

天文学者たちは、宇宙で多くのブラックホールの事例を観測していて、しばしば重力波検出器を使ってブラックホール同士の衝突を特定してるんだ。この観測は、星の崩壊やブラックホール形成についての理論を確認するのに役立ってるよ。

爆発からのエネルギーと放出物質の質量

これらの崩壊から生まれる爆発は、大量の物質を宇宙に放出することがあるんだ。この放出物質、つまりエジェクタは、爆発で生成された重い元素を運ぶことがあって、宇宙の化学的豊かさに寄与するんだ。エジェクタのエネルギーや質量の測定は、これらの爆発が普通の超新星爆発とどう比べられるかを理解するのに役立つよ。

初期条件による爆発の依存性

星の角運動量や物質の密度など、異なる初期条件は爆発の結果に大きく影響することがあるんだ。例えば、星が多くの角運動量を持っていると、より大きなトーラスとよりエネルギーのある爆発に繋がることがあるよ。

結論

回転する巨大星からの超新星のような爆発は複雑で、重力、回転、加熱メカニズムの相互作用が関わっているんだ。これらの出来事の研究は、星のライフサイクルやブラックホールの形成、宇宙を重い元素で豊かにするプロセスについての洞察を提供するよ。シミュレーションと観測に支えられた継続的な研究が、これらの魅力的な宇宙現象についての理解を深めていくんだ。

オリジナルソース

タイトル: Supernova-like explosion of massive rotating stars from disks surrounding a black hole

概要: We perform a new general-relativistic viscous-radiation hydrodynamics simulation for supernova-like explosion associated with stellar core collapse of rotating massive stars to a system of a black hole and a massive torus paying particular attention to large-mass progenitor stars with the zero-age main-sequence mass of $M_\mathrm{ZAMS}=$20, 35, and 45$M_\odot$ of Ref.~\cite{Aguilera-Dena2020oct}. Assuming that a black hole is formed in a short timescale after the onset of the stellar collapse, the new simulations are started from initial data of a spinning black hole and infalling matter that self-consistently satisfy the constraint equations of general relativity. It is found that with a reasonable size of the viscous parameter, the supernova-like explosion is driven by the viscous heating effect in the torus around the black hole irrespective of the progenitor mass. The typical explosion energy and ejecta mass for the large-mass cases ($M_\mathrm{ZAMS}=35$ and $45M_\odot$) are $\sim 10^{52}$ erg and $\sim 5M_\odot$, respectively, with $^{56}$Ni mass larger than $0.15M_\odot$. These are consistent with the observational data of stripped-envelope and high-energy supernovae such as broad-lined type Ic supernovae. This indicates that rotating stellar collapses of massive stars to a black hole surrounded by a massive torus can be a central engine for high-energy supernovae. By artificially varying the angular velocity of the initial data, we explore the dependence of the explosion energy and ejecta mass on the initial angular momentum and find that the large explosion energy $\sim 10^{52}$ erg and large $^{56}$Ni mass $\geq 0.15M_\odot$ are possible only when a large-mass compact torus with mass $\gtrsim 1M_\odot$ is formed.

著者: Sho Fujibayashi, Alan Tsz-Lok Lam, Masaru Shibata, Yuichiro Sekiguchi

最終更新: 2023-09-05 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://arxiv.org/abs/2309.02161

ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2309.02161

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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