ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2004, том 30, № 1, с. 17-36
УДК 524.352
ВРАЩАЮЩИЙСЯ КОЛЛАПСАР И ВОЗМОЖНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ НЕЙТРИННОГО СИГНАЛА LSD ОТ SN 1987А
© 2004 г. В. С. Имшенник1*, О. Г. Ряжская2
1Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва 2Институт ядерных исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 12.08.2003 г.
Рассмотрен усовершенствованный ротационный механизм взрыва коллапсирующей сверхновой. Показано, что он приводит к двухступенчатому коллапсу с разницей часов между фазами. На основе этой модели сделана попытка новой интерпретации событий в подземных нейтринных детекторах 23 февраля 1987 г., связанных со сверхновой SN 1987A.
Ключевые слова: сверхновые и остатки сверхновых.
A ROTATING COLLAPSAR AND POSSIBLE INTERPRETATION OF THE LSD NEUTRINO SIGNAL FROM SN 1987А, by V. S. Imshennik and O. G. Ryazhskaya. We consider an improved rotational mechanism of the explosion of a collapsing supernova. We show that this mechanism leads to two-stage collapse with a difference of ^5 hours between the phases. Based on this model, we attempt a new interpretation of the events in underground neutrino detectors on February 23, 1987, related to the supernova SN 1987A.
Key words: supernovae and supernova remnants.
ВВЕДЕНИЕ
Идея двухступенчатого гравитационного коллапса в сущности носилась в воздухе давно, особенно в варианте возобновления (второй ступени) коллапса в нейтронной звезде с превращением ее в черную дыру (см., например, Имшенник, Надежин, 1988). Но если принимать во внимание эффекты вращения, то подобный двухступенчатый коллапс железно-кислородно-углеродного (Fe-O-C) ядра приобретает иное, более конкретное, содержание, которое мы назвали ротационным механизмом взрыва коллапсирующей сверхновой, поскольку упомянутые эффекты вращения дают возможность, по нашему мнению, решить важнейшую проблему перехода коллапса во взрыв для массивных и коллапсирующих сверхновых (все типы сверхновых за исключением термоядерных типа Ы). Начиная с 1992 г., в связи со знаменитой вспышкой SN 1987А был выполнен обширный цикл работ (Имшенник, Надежин, 1992; Имшенник, 1992; Аксенов, Имшенник, 1994; Имшенник, Попов, 1994; Аксенов и др., 1995; Имшенник, 1995, 1996; Имшенник, Блинников, 1996). Далее будет
Электронный адрес: imshennik@vxitep.itep.ru
рассматриваться так называемый усовершенствованный ротационный механизм взрыва, о возможности которого впервые упоминалось в работе Им-шенника, Попова (1994) в связи с получением двух нейтринных сигналов от SN 1987А, разделенных сравнительно большим промежутком времени в 4 h 44 min (=4.7 h) (Дадыкин и др., 1987; Альетта и др., 1987) в tUT = 2 h 52 min (23 февраля 1987 г.) и в tUT = 7 h 36 min (Хирата и др., 1987; Бионта и др., 1987) (см. раздел 1). Тщательный анализ этих наблюдений нейтринных сигналов дан в обзоре Дадыкина и др. (1989). Указанное усовершенствование сценария взрыва вращающегося Fe-O-C-ядра массивной звезды обязано не только необходимости объяснения наблюдений нейтринных сигналов от SN 1987А, но также внутренней логике развития данного сценария — оно возникло на пути преодоления трудностей теоретического характера.
Путем теоретических оценок получены спектры нейтринного излучения, основанные на результатах гидродинамических расчетов квазиодномерной модели формирования вращающегося коллапса-ра (Имшенник, Надежин, 1977, 1992) и на гипотезе объемного механизма нейтринного излучения от вращающегося коллапсара (Имшенник, Надежин, 1972; Иванова и др., 1969а) с почти пол-
ным преобладанием в составе нейтринного излучения электронных нейтрино (см. раздел 2). В полученных спектрах фигурирует безразмерный химический потенциал электронов, р, который в данной работе рассматривается в качестве единственного свободного параметра этих спектров.
В разделе 3 представлен анализ наблюдений нейтринного сигнала на установке LSD в ¿ut = = 2 h 52 min (23 февраля 1987 г.) c использованием полученных ранее спектров нейтринного излучения, дополнительно учитывающих эффекты самопоглощения внутри вращающегося коллапса-ра. Развивается гипотеза о взаимодействии электронных нейтрино с ядрами железа, фактически присутствующего в детекторе LSD в весьма больших количествах. Продукты этих реакций взаимодействия, в основном, в виде гамма-квантов и электронов, регистрируются в жидком сцинтилля-торе при помощи ФЭУ. Эффективность регистрации оценивается с применением метода Монте-Карло. Показано, что в довольно широком интервале изменения параметра р данные наблюдений согласуются с теорией, описанной в разделах 1 и 2.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ ВРЕМЕННОГО ИНТЕРВАЛА МЕЖДУ ДВУМЯ СТУПЕНЯМИ КОЛЛАПСА ДЛЯ БЫ 1987А
Итак, в преддверии гравитационного коллапса Ре-О-С-ядро звезды имеет заданную (из расчетов эволюции массивных звезд с полной массой на главной последовательности МШ5 > 10М©) массу Mt и полный момент вращения .0, которые, очевидно, сохраняются в процессе коллапса во вращающийся коллапсар этого ядра. В работе Аксенова и др. (1995) было численно построено большое семейство таких двумерных, аксиально-симметричных коллапсаров в зависимости от величин М( и в качестве параметров. Доказательство большой вероятности попадания кол-лапсаров в область динамической неустойчивости, которая определяется известным критерием в = = £го\/\£дга^\ > 0.27 (Тассуль, 1978), появилось в работе Донга, Шапиро (1995). Величины £го^ и \Egrav \ обозначают полную энергию вращения и полную гравитационную энергию соответственно. Заметим, что в процессе коллапса при сохранении момента вращения .0, а также и локального удельного момента вращения, энергия £го^ очень сильно возрастает по сравнению с \^гау\, тоже, конечно, возрастающей величиной. Указанная неустойчивость развивается с характерным гидродинамическим временем и приводит типично к "развалу коллапсара на куски", в простейшем случае в двойную систему нейтронных звезд (НЗ). При
этом почти весь момент вращения может обратиться в орбитальный момент вращения, .огь < .0. Но величина А. = .0 — .огь становится спиновым моментом вращения самих НЗ, по существу у более массивного компонента этой двойной системы. Иными словами, образование двойной системы НЗ происходит в результате гидродинамического процесса фрагментации вращающегося коллапсара. Как показано в работе Имшенника (1992), при дополнительном предположении о круговой орбите двойной системы и заданных значениях величин и .огь определяются все параметры орбиты, в том числе ее радиус а0 и скорость у0 (в терминах приведенной массы системы М1М2/М\, согласно закону Кеплера):
ao
12
orb
1
GM? ¿02(1 - ¿o)2'
Vo
gm22 ,
1
¿0 =
orb
Ml
Ж'
(1)
где появляется свободный параметр 0 < 50 < 1/2. Можно условиться, что в дальнейшем М1 — масса менее массивной НЗ. Замечательно, что эволюция двойной системы определяется единственным фактором — гравитационным излучением, и оно уникально с точки зрения астрофизики, потому что относится к эволюции подобных систем, но с присутствием в ней маломассивной НЗ, масса которой с самого начала сильно уступает массе более массивной НЗ, причем она мала и абсолютно — по сравнению с М© (см. ниже). В приближении точечных масс гравитационное излучение (Петерс, Метьюс, 1963; Ландау, Лифшиц, 1973) и консервативный обмен массами описываются весьма простым дифференциальным уравнением (Имшенник, Попов, 2002):
da ~dt
64G3M35(1 - 5) 5 c5 a3
2a
1-25 (15 ¿(1 -5) di'
(2)
где согласно общему свойству НЗ (вырожденных звезд), имеет место обмен масс с убылью массы маломассивной НЗ (й5/И < 0). Производная (15/Ак может быть явно вычислена в приближении Роша (полость и потенциал Роша), как детально показано в упомянутой выше работе, продолжающей классические работы в этой области, начало которым положено работой Пачинского, Сенкеви-ча (1972). Тогда уравнение (2) описывает эволюцию под действием уже двух факторов, причем вторым является обмен массами, приводящий к росту радиуса а, в противоположность первому фактору, описывающему, наоборот, сближение компонентов. Однако второй фактор вступает в действие лишь после заполнения маломассивной НЗ своей
полости Роша. До этого происходит только сближение НЗ при постоянном значении параметра 6 = = 6о, благодаря гравитационному излучению, уносящему не только энергию системы НЗ, но и ее орбитальный момент вращения. В случае йб/дй = = 0, т.е. при 6 = 60, уравнение (2) имеет простое аналитическое решение, из которого получается ^гау, время полного сближения компонентов с постоянным произвольным параметром 60, формально до радиуса а = 0 (Имшенник, Попов, 1994):
Таблица 1
й^гау = 2.94 х 10"4
j8
т15б0(1 - 6о)9
(3)
где ]о = .огЬ/8.81 х 1049 эрг с, щ = М{/2М©, причем этот выбор масштабов для безразмерных величин ]0 и mt отвечает типичным условиям Fe-O-C-ядра звезды в преддверии коллапса (в применении к SN 1987А). Следует отметить, что имеющийся произвол в задании начального вращения в ядре звезды сильно ограничивается гипотезой о твердотельности этого вращения, связанной с действием конвекции, присущей структуре массивных звезд, особенно на последних стадиях термоядерной эволюции. По этой причине фактически энергия вращения в начальных условиях ничтожно мала по сравнению с гравитационной энергией, т.е. параметр в ^ 1, а структура звезды практически сферически-симметричная.
В табл. 1 представлены значения параметра 60, которые следуют из соотношения (3), коль скоро заданы величины = 0.9 (Mt = 1.8М©) и, самое главное, в приложении к SN 1987А tgгav = 4.7 И = = 16920 с. При этих вычислениях варьируется величина ]0, т.е. доля полного момента вращения .10, превратившаяся в орбитальный момент вращения .огЬ. Согласно представленным в табл. 1 данным величина j0 изменяется от 1 до 1/3. Далее даются величины орбитального момента вращения .ас в момент времени, когда маломассивная НЗ заполняет свою полость Роша и начинается эволюция двойной системы с эффектом обмена массами. Для краткости этот этап эволюции называется аккреционным и ему соответствует, очевидно, решение уравнения (2) с учетом второго слагаемого в правой части йб/йй = 0. Видно, что величина .ас понизи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.