[論文レビュー] Deep Core Convection and Dynamo in Newly-born Neutron Star

Youhei Masada, Tomoya Takiwaki+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、星の形成直後の原始中性子星における深部コア対流とダイナモ作用を、現実的な核状態方程式とニュートリノ放射流体力学シミュレーションからの初期条件を用いてシミュレートした。回転速度はやや遅い（170 msの周期）にもかかわらず、回転によって制限された対流における乱流起因の電磁力が働き、約10¹⁵ Gの大きなスケールでダイポール対称性を持つ磁場が自発的に生成された。これは、中性子星の磁化生成および超新星爆発ダイナミクスにおいて、深部コア対流が果たす重要な役割を示唆している。

ABSTRACT

We report results from a convection dynamo simulation of proto-neutron star (PNS), with a nuclear equation of state (EOS) and the initial hydrodynamic profile taken from a neutrino radiation-hydrodynamics simulation of a massive stellar core-collapse. A moderately-rotating PNS with the spin period of $170$ ms in the lepton-driven convection stage is focused. We find that large-scale flow and thermodynamic fields with north-south asymmetry develop in the turbulent flow, as a consequence of the convection in the central part of the PNS, which we call as a deep core convection. Intriguingly, even with such a moderate rotation, large-scale, $10^{15}$ G, magnetic field with dipole symmetry is spontaneously built up in the PNS. The turbulent electro-motive force arising from rotationally-constrained core convection is shown to play a key role in the large-scale dynamo. The large-scale structures organized in the PNS may impact the explosion dynamics of supernovae and subsequent evolution to the neutron stars.

研究の動機と目的

• 新しく形成された原始中性子星における深部コア対流が、大スケール磁場を生成する役割を調査すること。
• やや遅い回転と乱流対流が、原始中性子星コア内で大スケールダイナモを駆動するメカニズムを検討すること。
• 南北非対称性を示す熱力学的および流れの構造が、磁場組織に与える影響を評価すること。
• 回転によって制限された対流における乱流起因電磁力が、ダイポール優勢な磁場を維持できるかどうかを特定すること。
• これらの発見が、超新星爆発メカニズムおよび中性子星の進化に与える意味を評価すること。

提案手法

• 星のコア崩壊シミュレーションから得られる現実的な核状態方程式（EOS）を用いて、原始中性子星の対流ダイナモシミュレーションを実施する。
• 質量の大きな星の崩壊をシミュレートしたニュートリノ放射流体力学シミュレーションからの流体力学的プロファイルとニュートリノ輸送データを初期条件として用いる。
• 対流段階を研究するために、回転周期が170 msのやや回転が遅い原始中性子星に注目する。
• コア対流領域における南北非対称性を示す大スケールの構造を特定するために、乱流の流れと熱力学的場を分析する。
• 乱流起因電磁力を計算し、それが大スケール磁場の組織化に果たす役割を評価する。
• 回転によって制限された対流下での磁場の出現と対称性、特にダイポール性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 やや遅い回転を示す原始中性子星の深部コア対流が、自発的に大スケールでダイポール対称性を持つ磁場を生成できるか？
• RQ2 回転によって制限された対流における乱流起因電磁力が、磁場の組織化に果たす役割は何か？
• RQ3 南北非対称性を示す熱力学的および流れの構造が、原始中性子星コアにおける磁場生成にどのように影響するか？
• RQ4 ニュートリノ放射流体力学シミュレーションから得られる初期流体力学的プロファイルが、ダイナモ過程にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 深部コア対流が、超新星爆発ダイナミクスおよび中性子星の進化に与える意味は何か？

主な発見

• 原始中性子星のコア対流領域に、大スケールで南北非対称な流れと熱力学的場が発達した。
• 回転速度がやや遅い（170 msの周期）にもかかわらず、自発的に大スケールで約10¹⁵ Gの磁場がダイポール対称性を示して形成された。
• 回転によって制限された対流に起因する乱流起因電磁力が、大スケールダイナモ過程の主な駆動要因であることが特定された。
• レプトン駆動の浮力によって駆動される深部コア対流は、流れと磁場構造を組織化し、内部ダイナミクスに顕著な影響を与えた。
• 安定したダイポール磁場の出現は、バウンス直後の初期段階における中性子星の磁化生成に妥当なメカニズムを示唆している。
• これらの大スケール磁場構造は、核崩壊超新星の爆発ダイナミクスおよびその後の中性子星の進化に影響を与える可能性がある。