[論文レビュー] Collapse of rotating massive stars leading to black hole formation and energetic supernovae

Sho Fujibayashi, Yuichiro Sekiguchi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、回転する質量の大きな星がブラックホールに崩壊する際に、降着円盤内の粘性加熱によってエネルギーの高い超新星を駆動できると提案している。爆発エネルギーは>3×10⁵¹ ergに達し、⁵⁶Ni質量は≥0.1M☉に達する可能性があり、これは広線幅Ic超新星を説明する要因となる可能性がある。このメカニズムは、ニュートリノ冷却が非効率になる状況で、粘性加熱によって駆動される降着円盤からの噴流に依存しており、特に質量降着率が高い高速回転星で顕著に現れる。

ABSTRACT

We explore a possible scenario of the explosion as a result of core collapses of rotating massive stars that leave a black hole by performing a radiation-viscous-hydrodynamics simulation in numerical relativity. We take moderately and rapidly rotating compact pre-collapse stellar models derived in stellar evolution calculations as the initial conditions. We find that the viscous heating in the disk formed around the central black hole powers an outflow. For rapidly rotating models, the explosion energy is $\gtrsim 3 imes10^{51}$ erg, which is comparable to or larger than that of typical stripped-envelope supernovae, indicating that a fraction of such supernovae may be explosions powered by black-hole accretion disks. The explosion energy is still increasing at the end of the simulations with a rate of $>10^{50}$ erg/s, and thus, it may reach $\sim10^{52}$ erg. The nucleosynthesis calculation shows that the mass of $^{56}$Ni amounts to $\gtrsim 0.1M_\odot$, which, together with the high explosion energy, satisfies the required amount for broad-lined type Ic supernovae. The moderately rotating models predict small ejecta mass of order $0.1M_\odot$ and explosion energy of $\lesssim 10^{51}$ erg. Due to the small ejecta mass, these models may predict a short-timescale transient with the rise time 3$-$5 d. It can lead to a bright ($\sim10^{44}$ erg/s) transient like superluminous supernovae in the presence of dense massive circum-stellar medium. Irrespective of the models, the lowest value of the electron fraction of the ejecta is $\gtrsim 0.4$, and thus, the synthesis of heavy $r$-process elements is not found in our calculation.

研究の動機と目的

• 回転する質量の大きな星が崩壊して形成されるブラックホール周囲の降着円盤における粘性加熱が、エネルギーの高い超新星を駆動できるかどうかを調査すること。
• このような爆発が高エネルギーの爆発と顕著な⁵⁶Ni含有量を生じる条件を特定すること。
• このメカニズムが広線幅Ic超新星の前身星シナリオとして現実的かどうかを評価すること。

提案手法

• 回転する質量の大きな星のコア崩壊を3次元一般相対論的放射流体力学的粘性流体シミュレーションで行う。
• 中程度および高速回転するゼロ・オービット・メインシーケンスの9M☉および20M☉星の初期条件として、星の進化モデルを用いる。
• アルファ粘性モデル（ν = α_vis c_s H）を導入し、乱流による角運動量輸送と円盤内の粘性加熱を模擬する。
• ニュートリノ冷却の効率と粘性加熱率を比較し、噴流が発生する領域を特定する。
• 円盤噴流の高温領域からの爆発物質における核合成生成物、特に⁵⁶Ni質量を計算する。
• 爆発エネルギーと噴出物質量の時間的変化をモニタリングし、シミュレーションが観測された超新星のエネルギー特性に達するか、またはそれを上回るかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転する質量の大きな星がブラックホールに崩壊する際、ブラックホール降着円盤内の粘性加熱が爆発を駆動できるか？
• RQ2 中程度回転と高速回転の前身星では、それぞれの爆発エネルギーと噴出物質量はどの程度か？
• RQ3 このような爆発から得られる⁵⁶Ni含有量は、広線幅Ic超新星に推定される値と一致するか？
• RQ4 噴出物質内の電子割合（Yₑ）は、r過程元素の合成にどのように影響するか？
• RQ5 シミュレーション時間スケールを超えて爆発エネルギーが増加し続けているか？これは、自然界でさらに高いエネルギーを持つ爆発が生じうることを示唆するか？

主な発見

• 中程度回転の20M☉モデルでは、噴出物質量は約0.1M☉、爆発エネルギーは≤10⁵¹ ergに留まる。これは、短い上昇時間（3–5日）を持つ準超新星的天体であり、密度の高い周囲星間物質で超光度的に見える可能性がある。
• 質量降着率が高い高速回転モデルでは、爆発エネルギーは>3×10⁵¹ ergに達し、シミュレーション終了時点でまだ増加傾向にあり、自然界では約10⁵² ergに達する可能性がある。
• 高速回転モデルの噴出物質における⁵⁶Ni質量は約0.56M☉であり、広線幅Ic超新星に推定される典型的な0.4M☉と一致する。
• 最も高速に回転するモデルでは、噴出物質内の電子割合（Yₑ）は≥0.46に達し、このシミュレーションでは顕著なr過程核合成が起こらないことが示された。
• 噴流は、ニュートリノ冷却が非効率な円盤表面領域から主に発生するが、これらの領域ではYₑが高くなるにもかかわらず、強い粘性加熱と低い冷却効率のため発生する。
• シミュレーション結果は下限値を示しており、t = 30 s時点で噴出物質量と爆発エネルギーの両方がまだ増加傾向にあるため、自然界ではさらにエネルギーの高い現象が生じうる可能性がある。