- Open Access
Neutrino pair annihilation driven jets from black-hole torus systems
Phys. Rev. D 112, 043001 – Published 1 August, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/yygv-6268
Abstract
We perform axisymmetric general relativistic radiation-viscous hydrodynamics simulations of black hole (BH)-torus systems with full Boltzmann Monte Carlo neutrino transport to investigate the role of neutrino-antineutrino pair annihilation in launching relativistic outflows. Our models span a wide range of BH spins, torus masses, and viscosity parameters. We find that the pair annihilation leads to the formation of relativistic fireballs in most cases, except for those with low black-hole spin and high viscosity. The isotropic-equivalent energies of these outflows reach with durations . While this is insufficient to explain the brightest short gamma-ray bursts (sGRBs), our results suggest that the pair annihilation may account for some low-luminosity sGRBs and GRB precursors. We also provide updated scaling relations for the pair annihilation energy deposition rate as a function of accretion rate, and discuss the sensitivity of outflow properties to numerical resolution and floor density.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (124)
- B. Paczynski, Astrophys. J. Lett. 308, L43 (1986).
- J. Goodman, Astrophys. J. Lett. 308, L47 (1986).
- W. Fong, E. Berger, and D. B. Fox, Astrophys. J. 708, 9 (2010).
- W.-f. Fong et al., Astrophys. J. 940, 56 (2022).
- A. E. Nugent, W.-F. Fong, Y. Dong, J. Leja, E. Berger, M. Zevin, R. Chornock, B. E. Cobb, L. Z. Kelley, C. D. Kilpatrick, A. Levan, R. Margutti, K. Paterson, D. Perley, A. R. Escorial, N. Smith, and N. Tanvir, Astrophys. J. 940, 57 (2022).
- B. O’Connor, E. Troja, S. Dichiara, P. Beniamini, S. B. Cenko, C. Kouveliotou, J. B. González, J. Durbak, P. Gatkine, A. Kutyrev, T. Sakamoto, R. Sánchez-Ramírez, and S. Veilleux, Mon. Not. R. Astron. Soc. 515, 4890 (2022).
- K. Iwamoto et al., Nature (London) 395, 672 (1998).
- K. Z. Stanek et al., Astrophys. J. Lett. 591, L17 (2003).
- A. I. MacFadyen and S. E. Woosley, Astrophys. J. 524, 262 (1999).
- M. Shibata, S. Fujibayashi, S. Wanajo, K. Ioka, A. T.-L. Lam, and Y. Sekiguchi, Phys. Rev. D 111, 123017 (2025).
- E. Nakar, Phys. Rep. 442, 166 (2007).
- E. Berger, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 52, 43 (2014).
- B. P. Gompertz et al., Nat. Astron. 7, 67 (2023).
- J. C. Rastinejad et al., Nature (London) 612, 223 (2022).
- E. Troja et al., Nature (London) 612, 228 (2022).
- A. J. Levan et al. (JWST), Nature (London) 626, 737 (2024).
- R. D. Blandford and D. G. Payne, Mon. Not. R. Astron. Soc. 199, 883 (1982).
- S. S. Komissarov, Mon. Not. R. Astron. Soc. 359, 801 (2005).
- J. C. McKinney, Mon. Not. R. Astron. Soc. 368, 1561 (2006).
- M. V. Barkov and S. S. Komissarov, Mon. Not. R. Astron. Soc. 385, L28 (2008).
- S. S. Komissarov and M. V. Barkov, Mon. Not. R. Astron. Soc. 397, 1153 (2009).
- A. Tchekhovskoy, R. Narayan, and J. C. McKinney, Mon. Not. R. Astron. Soc. 418, L79 (2011).
- O. Bromberg and A. Tchekhovskoy, Mon. Not. R. Astron. Soc. 456, 1739 (2016).
- O. Gottlieb, A. Lalakos, O. Bromberg, M. Liska, and A. Tchekhovskoy, Mon. Not. R. Astron. Soc. 510, 4962 (2022).
- K. Hayashi, K. Kiuchi, K. Kyutoku, Y. Sekiguchi, and M. Shibata, Phys. Rev. Lett. 134, 211407 (2025).
- B. D. Metzger, D. Giannios, T. A. Thompson, N. Bucciantini, and E. Quataert, Mon. Not. R. Astron. Soc. 413, 2031 (2011).
- P. Mösta, D. Radice, R. Haas, E. Schnetter, and S. Bernuzzi, Astrophys. J. Lett. 901, L37 (2020).
- E. R. Most and E. Quataert, Astrophys. J. Lett. 947, L15 (2023).
- K. Kiuchi, A. Reboul-Salze, M. Shibata, and Y. Sekiguchi, Nat. Astron. 8, 298 (2024).
- P. Meszaros and M. J. Rees, Astrophys. J. 405, 278 (1993).
- M. Jaroszynski, Astron. Astrophys. 305, 839 (1996), https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1996A%26A...305..839J/abstract.
- R. Popham, S. E. Woosley, and C. Fryer, Astrophys. J. 518, 356 (1999).
- M. Shibata and K. Hotokezaka, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 69, 41 (2019).
- K. Kyutoku, M. Shibata, and K. Taniguchi, Living Rev. Relativity 24, 5 (2021).
- M. Shibata, S. Fujibayashi, K. Hotokezaka, K. Kiuchi, K. Kyutoku, Y. Sekiguchi, and M. Tanaka, Phys. Rev. D 96, 123012 (2017).
- S. Fujibayashi, K. Kiuchi, N. Nishimura, Y. Sekiguchi, and M. Shibata, Astrophys. J. 860, 64 (2018).
- S. Fujibayashi, M. Shibata, S. Wanajo, K. Kiuchi, K. Kyutoku, and Y. Sekiguchi, Phys. Rev. D 101, 083029 (2020).
- K. Hayashi, S. Fujibayashi, K. Kiuchi, K. Kyutoku, Y. Sekiguchi, and M. Shibata, Phys. Rev. D 106, 023008 (2022).
- K. Hayashi, K. Kiuchi, K. Kyutoku, Y. Sekiguchi, and M. Shibata, Phys. Rev. D 107, 123001 (2023).
- K. Kiuchi, S. Fujibayashi, K. Hayashi, K. Kyutoku, Y. Sekiguchi, and M. Shibata, Phys. Rev. Lett. 131, 011401 (2023).
- O. Just, V. Vijayan, Z. Xiong, S. Goriely, T. Soultanis, A. Bauswein, J. Guilet, H. T. Janka, H.-T. Janka, and G. Martínez-Pinedo, Astrophys. J. Lett. 951, L12 (2023).
- M. Shibata, S. Fujibayashi, and Y. Sekiguchi, Phys. Rev. D 104, 063026 (2021).
- M. Shibata, S. Fujibayashi, and Y. Sekiguchi, Phys. Rev. D 103, 043022 (2021).
- B. Muller, H.-T. Janka, and H. Dimmelmeier, Astrophys. J. Suppl. Ser. 189, 104 (2010).
- S. Fujibayashi, K. Takahashi, Y. Sekiguchi, and M. Shibata, Astrophys. J. 919, 80 (2021).
- S. Fujibayashi, Y. Sekiguchi, M. Shibata, and S. Wanajo, Astrophys. J. 956, 100 (2023).
- S. Fujibayashi, A. T.-L. Lam, M. Shibata, and Y. Sekiguchi, Phys. Rev. D 109, 023031 (2024).
- M. Shibata, S. Fujibayashi, A. T.-L. Lam, K. Ioka, and Y. Sekiguchi, Phys. Rev. D 109, 043051 (2024).
- T. Kuroda and M. Shibata, Mon. Not. R. Astron. Soc. 526, 152 (2023).
- S. Shibagaki, T. Kuroda, K. Kotake, T. Takiwaki, and T. Fischer, Mon. Not. R. Astron. Soc. 531, 3732 (2024).
- T. Kuroda and M. Shibata, Mon. Not. R. Astron. Soc. 533, L107 (2024).
- D. Issa, O. Gottlieb, B. Metzger, J. Jacquemin-Ide, M. Liska, F. Foucart, G. Halevi, and A. Tchekhovskoy, Astrophys. J. Lett. 985, L26 (2025).
- S. W. Bruenn, Astrophys. J. Suppl. Ser. 58, 771 (1985).
- Stellar Collapse, edited by Chris L. Fryer (Springer, Netherlands, 2004).
- F. Galeazzi, W. Kastaun, L. Rezzolla, and J. A. Font, Phys. Rev. D 88, 064009 (2013).
- D. Neilsen, S. L. Liebling, M. Anderson, L. Lehner, E. O’Connor, and C. Palenzuela, Phys. Rev. D 89, 104029 (2014).
- H. R. Takahashi and K. Ohsuga, Astrophys. J. 772, 127 (2013).
- A. Sadowski, R. Narayan, J. C. McKinney, and A. Tchekhovskoy, Mon. Not. R. Astron. Soc. 439, 503 (2014).
- J. C. McKinney, A. Tchekhovskoy, A. Sadowski, and R. Narayan, Mon. Not. R. Astron. Soc. 441, 3177 (2014).
- A. Sadowski, R. Narayan, A. Tchekhovskoy, D. Abarca, Y. Zhu, and J. C. McKinney, Mon. Not. R. Astron. Soc. 447, 49 (2015).
- Y. Sekiguchi, K. Kiuchi, K. Kyutoku, and M. Shibata, Phys. Rev. D 91, 064059 (2015).
- F. Foucart, E. O’Connor, L. Roberts, M. D. Duez, R. Haas, L. E. Kidder, C. D. Ott, H. P. Pfeiffer, M. A. Scheel, and B. Szilagyi, Phys. Rev. D 91, 124021 (2015).
- Y. Sekiguchi, K. Kiuchi, K. Kyutoku, M. Shibata, and K. Taniguchi, Phys. Rev. D 93, 124046 (2016).
- D. Radice, F. Galeazzi, J. Lippuner, L. F. Roberts, C. D. Ott, and L. Rezzolla, Mon. Not. R. Astron. Soc. 460, 3255 (2016).
- D. Radice, S. Bernuzzi, A. Perego, and R. Haas, Mon. Not. R. Astron. Soc. 512, 1499 (2022).
- K. Kiuchi, L. E. Held, Y. Sekiguchi, and M. Shibata, Phys. Rev. D 106, 124041 (2022).
- L. Sun, M. Ruiz, S. L. Shapiro, and A. Tsokaros, Phys. Rev. D 105, 104028 (2022).
- L. R. Werneck et al., Phys. Rev. D 107, 044037 (2023).
- F. Foucart, P. C.-K. Cheong, M. D. Duez, L. E. Kidder, H. P. Pfeiffer, and M. A. Scheel, Phys. Rev. D 110, 083028 (2024).
- M. Ruffert and H. T. Janka, Astron. Astrophys. 344, 573 (1999), https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1999A%26A...344..573R/abstract.
- S. Setiawan, M. Ruffert, and H.-T. Janka, Mon. Not. R. Astron. Soc. 352, 753 (2004).
- S. Setiawan, M. Ruffert, and H. T. Janka, Astron. Astrophys. 458, 553 (2006).
- S. Richers, D. Kasen, E. O’Connor, R. Fernández, and C. D. Ott, Astrophys. J. 813, 38 (2015).
- A. Perego, H. Yasin, and A. Arcones, J. Phys. G 44, 084007 (2017).
- K. Sumiyoshi, S. Fujibayashi, Y. Sekiguchi, and M. Shibata, Astrophys. J. 907, 92 (2021).
- O. Just, M. Obergaulinger, H. T. Janka, A. Bauswein, and N. Schwarz, Astrophys. J. Lett. 816, L30 (2016).
- S. Fujibayashi, Y. Sekiguchi, K. Kiuchi, and M. Shibata, Astrophys. J. 846, 114 (2017).
- J. M. Miller, B. R. Ryan, J. C. Dolence, A. Burrows, C. J. Fontes, C. L. Fryer, O. Korobkin, J. Lippuner, M. R. Mumpower, and R. T. Wollaeger, Phys. Rev. D 100, 023008 (2019).
- F. Foucart, M. D. Duez, F. Hebert, L. E. Kidder, H. P. Pfeiffer, and M. A. Scheel, Astrophys. J. Lett. 902, L27 (2020).
- E. Abdikamalov, A. Burrows, C. D. Ott, F. Löffler, E. O’Connor, J. C. Dolence, and E. Schnetter, Astrophys. J. 755, 111 (2012).
- N. Roth and D. Kasen, Astrophys. J. Suppl. Ser. 217, 9 (2015).
- B. R. Ryan, J. C. Dolence, and C. F. Gammie, Astrophys. J. 807, 31 (2015).
- F. Foucart, Mon. Not. R. Astron. Soc. 475, 4186 (2018).
- J. M. Miller, B. R. Ryan, and J. C. Dolence, Astrophys. J. Suppl. Ser. 241, 30 (2019).
- F. Foucart, M. D. Duez, F. Hebert, L. E. Kidder, P. Kovarik, H. P. Pfeiffer, and M. A. Scheel, Astrophys. J. 920, 82 (2021).
- N. Roth, P. Anninos, P. B. Robinson, J. L. Peterson, B. Polak, T. K. Mangan, and K. Beyer, Astrophys. J. 933, 226 (2022).
- M. R. Izquierdo, J. F. Abalos, and C. Palenzuela, Phys. Rev. D 109, 043044 (2024).
- K. Kawaguchi, S. Fujibayashi, and M. Shibata, Phys. Rev. D 107, 023026 (2023).
- K. Kawaguchi, S. Fujibayashi, and M. Shibata, Phys. Rev. D 111, 023015 (2025).
- J. A. Font, J. M. Ibáñez, and P. Papadopoulos, Astrophys. J. Lett. 507, L67 (1998).
- M. Shibata, K. Kiuchi, and Y.-i. Sekiguchi, Phys. Rev. D 95, 083005 (2017).
- S. A. Balbus and J. F. Hawley, Rev. Mod. Phys. 70, 1 (1998).
- N. I. Shakura and R. A. Sunyaev, Astron. Astrophys. 24, 337 (1973), https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1973A%26A....24..337S/abstract.
- C. J. Horowitz, Phys. Rev. D 65, 043001 (2002).
- P. Meszaros and M. J. Rees, Astrophys. J. 530, 292 (2000).
- B. D. Metzger, A. L. Piro, and E. Quataert, Mon. Not. R. Astron. Soc. 390, 781 (2008).
- W.-X. Chen and A. M. Beloborodov, Astrophys. J. 657, 383 (2007).
- I. Zalamea and A. M. Beloborodov, Mon. Not. R. Astron. Soc. 410, 2302 (2011).
- A. Agarwal, D. M. Siegel, B. D. Metzger, and C. Nagele, arXiv:2503.15729.
- M. A. Aloy, H. T. Janka, and E. Muller, eConf C 041213, 0109 (2004).
- R. Birkl, M. A. Aloy, H. T. Janka, and E. Mueller, Astron. Astrophys. 463, 51 (2007).
- Z.-Y. Liu, F.-W. Zhang, and S.-Y. Zhu, Res. Astron. Astrophys. 21, 254 (2021).
- H.-T. Janka, P. A. Mazzali, M. A. Aloy, and E. Pian, Astrophys. J. 645, 1305 (2006).
- E. Troja, S. Rosswog, and N. Gehrels, Astrophys. J. 723, 1711 (2010).
- S. Xiao et al., Astrophys. J. 970, 6 (2024).
- K. Kiuchi, Y. Sekiguchi, M. Shibata, and K. Taniguchi, Phys. Rev. D 80, 064037 (2009).
- T. Dietrich, M. Ujevic, W. Tichy, S. Bernuzzi, and B. Bruegmann, Phys. Rev. D 95, 024029 (2017).
- F. Schianchi, M. Ujevic, A. Neuweiler, H. Gieg, I. Markin, and T. Dietrich, Phys. Rev. D 109, 123011 (2024).
- B. Karakas, R. Matur, and M. Ruffert, arXiv:2405.13687.
- K. Hotokezaka, K. Kiuchi, K. Kyutoku, T. Muranushi, Y.-i. Sekiguchi, M. Shibata, and K. Taniguchi, Phys. Rev. D 88, 044026 (2013).
- K. Kiuchi, K. Kyutoku, M. Shibata, and K. Taniguchi, Astrophys. J. 876, L31 (2019).
- O. Gottlieb, S. Moseley, T. Ramirez-Aguilar, A. Murguia-Berthier, M. Liska, and A. Tchekhovskoy, Astrophys. J. Lett. 933, L2 (2022).
- F. Foucart, Mon. Not. R. Astron. Soc. 475, 4186 (2018).
- M. R. Izquierdo, J. F. Abalos, and C. Palenzuela, Phys. Rev. D 109, 043044 (2024).
- K. Kyutoku, K. Ioka, H. Okawa, M. Shibata, and K. Taniguchi, Phys. Rev. D 92, 044028 (2015).
- K. Kyutoku, H. Okawa, M. Shibata, and K. Taniguchi, Phys. Rev. D 84, 064018 (2011).
- S. Rosswog, Astrophys. J. 634, 1202 (2005).
- M. Shibata and K. Taniguchi, Phys. Rev. D 77, 084015 (2008).
- Z. B. Etienne, Y. T. Liu, S. L. Shapiro, and T. W. Baumgarte, Phys. Rev. D 79, 044024 (2009).
- G. Lovelace, M. D. Duez, F. Foucart, L. E. Kidder, H. P. Pfeiffer, M. A. Scheel, and B. Szilegyi, Classical Quantum Gravity 30, 135004 (2013).
- F. Foucart, T. Hinderer, and S. Nissanke, Phys. Rev. D 98, 081501 (2018).
- R. Fernández, A. Tchekhovskoy, E. Quataert, F. Foucart, and D. Kasen, Mon. Not. R. Astron. Soc. 482, 3373 (2019).
- I. M. Christie, A. Lalakos, A. Tchekhovskoy, R. Fernández, F. Foucart, E. Quataert, and D. Kasen, Mon. Not. R. Astron. Soc. 490, 4811 (2019).
- S. Fujibayashi, M. Shibata, S. Wanajo, K. Kiuchi, K. Kyutoku, and Y. Sekiguchi, Phys. Rev. D 102, 123014 (2020).