[論文レビュー] A Neutrino-Driven Core Collapse Supernova Explosion of a 15 M Star

Anthony Mezzacappa, Eric J. Lentz+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、15 M⊙星の3次元、マルチフィジックス核崩壊超新星シミュレーションを、多周波数ニュートリノ輸送と近似的一般相対性理論を用いて、ray-by-ray-plus (RbR+) 法により初めて実行した。モデルはニュートリノ駆動型爆発を達成し、衝撃波の拡張がコアバウンス後275 msに開始された—2次元モデルと比較して遅延している—計算上の近似があるにもかかわらず、現実的なニュートリノ物理学を用いた3次元での爆発の可能性を示している。

ABSTRACT

We present results from an ab initio three-dimensional, multi-physics core collapse supernova simulation for the case of a 15 M progenitor. Our simulation includes multi-frequency neutrino transport with state-of-the-art neutrino interactions in the "ray-by-ray" approximation, and approximate general relativity. Our model exhibits a neutrino-driven explosion. The shock radius begins an outward trajectory at approximately 275 ms after bounce, giving the first indication of a developing explosion in the model. The onset of this shock expansion is delayed relative to our two-dimensional counterpart model, which begins at approximately 200 ms after core bounce. At a time of 441 ms after bounce, the angle-averaged shock radius in our three-dimensional model has reached 751 km. Further quantitative analysis of the outcomes in this model must await further development of the post-bounce dynamics and a simulation that will extend well beyond 1 s after stellar core bounce, based on the results for the same progenitor in the context of our two-dimensional, counterpart model. This more complete analysis will determine whether or not the explosion is robust and whether or not observables such as the explosion energy, 56Ni mass, etc. are in agreement with observations. Nonetheless, the onset of explosion in our ab initio three-dimensional multi-physics model with multi-frequency neutrino transport and general relativity is encouraging.

研究の動機と目的

• 15 M⊙星の3次元コア崩壊を、現実的なニュートリノ輸送と一般相対性理論を用いてシミュレートすること。
• 2次元シミュレーションで観測されたニュートリノ駆動型爆発メカニズムが、非対称性と対流がより完全に解像される3次元で継続するかどうかを検証すること。
• 3次元マルチフィジックス超新星モデリングにおいて、ray-by-ray-plus (RbR+) ニュートリノ輸送近似が、どのような物理的特徴（対流やSASIモードなど）を保持しているかを評価すること。
• 爆発エネルギーと56Ni質量といった観測可能な爆発特性を安定して得られる3次元フレームワークの開発を開始すること。
• エクサスケール計算リソースを要する未来の高精度シミュレーションの基盤を築くこと。

提案手法

• CHIMERAコードを用いて3次元コア崩壊をシミュレートし、流体力学、自己重力、ニュートリノ輸送、核状態方程式を統合する。
• ニュートリノ輸送は、(θ,φ) 角度で定義される各径方向の線に沿って球対称輸送を解くray-by-ray-plus (RbR+) 近似を用いる。横方向の輸送と圧力結合を含む。
• 4種類のニュートリノ種 (νₑ, ν̄ₑ, νμτ, ν̄μτ) と、1種類あたり20エネルギー群（4–250 MeV）を含む多周波数ニュートリノ輸送を含む。
• 一般相対性理論は、ニュートリック重力ポテンシャルのGRモノポール補正により近似され、重力ソルバー内のニュートリックモノポールに置き換えられる。
• 流体力学には次元分割型ラグランジュアン・リマップ (PPMLR) スキームを用い、自己重力は多重極展開により計算される。
• 爆発の進行と対流ダイナミクスを監視するため、診断エネルギー、衝撃波半径、エントロピー構造を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 15 M⊙前身星の3次元マルチフィジックスシミュレーションにおいて、現実的なニュートリノ輸送と一般相対性理論を用いた場合、ニュートリノ駆動型爆発が発生するか？
• RQ2 同じ前身星の2次元シミュレーションと比較して、3次元シミュレーションにおける衝撃波拡張の開始時期はどのように異なるか？
• RQ3 ray-by-ray-plus (RbR+) ニュートリノ輸送近似が、3次元において対流やSASIモードといった重要な物理的特徴をどの程度保持しているか？
• RQ4 3次元モデルにおける衝撃波半径と診断エネルギーの時間的変化は何か？爆発の開始時期はいつか？
• RQ5 3次元モデルは、観測と整合性のある爆発特性（爆発エネルギー、56Ni質量など）を生成できるか？

主な発見

• 衝撃波半径はコアバウンス後約275 msに外向きの軌道に入り、3次元モデルでニュートリノ駆動型爆発の開始を示している。
• この爆発開始は、2次元モデル（コアバウンス後約200 msに衝撃波拡張を開始）と比較して約75 ms遅れている。
• コアバウンス後441 msには、角度平均の衝撃波半径が751 kmに達しており、後方衝撃波拡張が顕著であることを示している。
• 3次元モデルでは、コアバウンス後約300 msに診断エネルギーが正の値を示し、系がネットでエネルギーを獲得していることを確認したが、完全な進化が得られていないため爆発エネルギーは未確認のままである。
• 3次元シミュレーションでは、強い非軸対称対流が観測され、高温の上昇プラウムと寒冷な下降気流が確認され、原始中性子星にまで延びる大規模な降着ホースが存在し、持続的なニュートリノ加熱を示している。
• 衝撃波の形状と対流パターンは軸対称性から明確に逸脱しており、l=1およびm=1モードの兆候が見られるが、完全なモード解析は未実施である。