[論文レビュー] 3-Dimensional Core-Collapse

Chris L. Fryer, M. Warren|CERN Bulletin|Sep 19, 2003

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 95

ひとこと要約

本稿では、回転する大質量星の核崩壊を3次元流体力学的シミュレーションで検討し、回転が原始中性子星の上層の対流を変化させるが、核の破壊や強い磁場の急速生成を引き起こさないことを明らかにした。しかし、最も回転が速いモデルでは、爆発エネルギーを上回る回転エネルギーを持つパルサーが生成され、重力波信号と核合成生成物を用いた前身星の回転速度制約が可能になる可能性がある。

ABSTRACT

In this paper, we present the results of 3-dimensional collapse simulations of rotating stars for a range of stellar progenitors. We find that for the fastest spinning stars, rotation does indeed modify the convection above the proto-neutron star, but it is not fast enough to cause core fragmentation. Similarly, although strong magnetic fields can be produced once the proto-neutron star cools and contracts, the proto-neutron star is not spinning fast enough to generate strong magnetic fields quickly after collapse and, for our simulations, magnetic fields will not dominate the supernova explosion mechanism. Even so, the resulting pulsars for our fastest rotating models may emit enough energy to dominate the total explosion energy of the supernova. However, more recent stellar models predict rotation rates that are much too slow to affect the explosion, but these models are not sophisticated enough to determine whether the most recent, or past, stellar rotation rates are most likely. Thus, we must rely upon observational constraints to determine the true rotation rates of stellar cores just before collapse. We conclude with a discussion of the possible constraints on stellar rotation which we can derive from core-collapse supernovae.

研究の動機と目的

• 回転が球対称性を超えた核崩壊ダイナミクス、特に対流と磁場生成に与える影響を検証すること。
• 回転エネルギーが超新星爆発を駆動できるかどうか、特にニュートリノ駆動メカニズムと比較して評価すること。
• 重力波放射と非対称核合成が、前身星の回転速度を制約する観測的指標としての可能性を評価すること。
• 回転が爆発後のパルサー回転速度と放射度の進化に果たす役割を調査すること。
• 観測された超新星の性質に基づいて、現在の星のモデルが前身星の回転速度を過大評価しているか、過小評価しているかを特定すること。

提案手法

• 簡略化されたニュートリノ輸送を用いた、FLASHコードを用いた3次元、完全に$4\pi$対称な回転星核の流体力学的シミュレーションを実施。
• 回転速度の異なる（遅いから速いまで）さまざまな前身星モデルを用い、回転が崩壊ダイナミクスに与える影響を調査。
• 原始中性子星のバウンス後進化を追跡し、対流、磁場増幅、ニュートリノ放射の非対称性を解析。
• Ho & Lai (2000)の形式を用いて、さまざまな振幅（$10^{-3}$から$10^{-2}$）のrモード不安定性を組み込んだパルサーの回転減衰進化をシミュレート。
• 崩壊中の非対称な質量運動に起因する重力波歪み振幅を計算し、advanced LIGOでの検出可能性を評価。
• ニュートリノ駆動風の非対称性とr過程核合成生成物を分析し、回転効果が核合成出力に与える影響を定量化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元シミュレーションにおいて、大質量星の回転が原始中性子星上層の対流ダイナミクスに顕著に影響を与えるか？
• RQ2 回転エネルギーのみで超新星爆発が駆動可能か、それともニュートリノ駆動メカニズムに比べて不十分か？
• RQ3 回転効果が、核崩壊中に観測可能な重力波信号を生成する程度はどの程度か？
• RQ4 回転による非対称性が、ニュートリノ放射の非対称性とその後のr過程核合成に与える影響は？
• RQ5 パルサーの回転減衰進化と放射度は、星の前身星の初期回転速度を制約する手がかりとなるか？

主な発見

• 3次元シミュレーションにおいて、回転は原始中性子星上層の対流を変化させるが、鉄核の破壊を引き起こすほど速くはならない。
• 原始中性子星の冷却中に磁場が増幅されるが、シミュレーションモデルでは爆発メカニズムを支配するほど速くはならない。
• 最も回転が速いモデルでは、生成されるパルサーの回転エネルギーが全爆発エネルギーを上回る可能性があり、回転エネルギーが主要なエネルギー源である可能性を示唆している。
• 回転モデルからの重力波振幅は非回転ケースの5倍まで強くなるが、一般にadvanced LIGOの検出限界を下回る。ただし、銀河系内の超新星が発生した場合には検出可能となる可能性がある。
• ニュートリノ放射は非対称であり、回転軸に沿ってより高い平均エネルギーを持つ（深くニュートリノ球面が位置するため）、これによりニュートリノ駆動風の非対称性とr過程生成物の変化が生じる。
• rモード不安定性の振幅に起因するパルサー放射度と回転減衰進化は非常に不確実である。強いrモード（$\alpha_{\rm r-mode} = 10^{-2}$）であっても、1000年後には効果は無視できるほど小さく、観測から初期回転速度を推定するのは困難である。