[論文レビュー] Fluid Stability Below the Neutrinospheres of Supernova Progenitors and the Dominant Role of Lepto-Entropy Fingers

Stephen W. Bruenn, E. A. Raley+1 more|ArXiv.org|Apr 5, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、核崩壊超新星のニュートリノ球以下の流体不安定性を、詳細なニュートリノ輸送シミュレーションを用いて再評価し、エントロピーとレプトン数密度の摂動の間のクロスカップリングによって駆動されるレプトン-エントロピー指紋がニュートロン指紋を上回ることを発見した。従来の主張とは異なり、レプトンの等化は熱的等化よりも速く進行するため、ニュートロン指紋は生じにくく、代わりにレプトン-エントロピー指紋と半対流が、原始中性子星におけるニュートリノ放射の増幅に寄与する主要な不安定性であると特定された。

ABSTRACT

We have developed a formalism for analyzing the stability of a fluid in the presence of neutrinos of all flavors and in the presence of a gravitational field. When applied to an extensive two-dimensional grid of core radii and fluid element sizes for each of several time slices of a number of proto-supernovae, we find no evidence for the neutron finger instability as described by the Livermore group. We find, instead, that the rate of lepton equilibration always exceeds that of thermal equilibration. Furthermore, we find that thermal diffusion driven by a lepton fraction difference and lepton diffusion driven by an entropy difference are both nonzero and that the first of these tends to be large in magnitude. An important consequence of this is the presence of a doubly diffusive instability, which we refer to as ``lepto-entropy fingers,'' in an extensive region below the neutrinosphere where the lepton number, $Y_{\ell}$, is small. This instability is driven by a mechanism very different from that giving rise to neutron fingers, and may play an important role in enhancing the neutrino emission. Deep in the core where the entropy is low and the lepton number higher, our analysis indicates a region unstable to another instability which we refer to as ``lepto-entropy semiconvection.'' These instabilities, particularly lepto-entropy fingers, may have already been seen in some multi-dimensional core collapse simulations described in the literature.

研究の動機と目的

• 核崩壊超新星のニュートリノ球以下の領域にニュートロン指紋不安定性が実際に存在するかどうかという長年の論争を解消すること。
• 原始超新星における対流的運動がニュートリノ放射をどのように増幅させるか、流体不安定性の役割を評価すること。
• 詳細なニュートリノ輸送シミュレーションを用いて、二重拡散不安定性を分析するための洗練された手法を開発・適用すること。
• 密度の高い星内部における熱的およびレプトン的等化の相対的速度を特定し、不安定性の成長に与える影響を評価すること。
• ニュートリノ媒介輸送におけるクロス応答関数から生じる、新たな不安定性（レプトン-エントロピー指紋および半対流）の同定と特徴化すること。

提案手法

• 詳細なニュートリノ輸送シミュレーションから導出された4つの応答関数を用いて、ニュートリノ媒介による熱的およびレプトン的輸送を組み込んだ線形安定性解析フレームワークを構築した。
• 従来のニュートリノ物理学と改良版ニュートリノ物理学を用い、複数の崩壊後時刻スライスにわたる、コア半径および流体要素サイズの2次元グリッドに対して、応答関数を計算した。
• 応答関数を用いて、重力場および多フレーバーのニュートリノ相互作用を伴う状況下での浮力力と不安定性成長率を評価した。
• 熱的等化がレプトン的等化を上回ると仮定するリバモアグループのニュートロン指紋基準と比較した。
• エントロピーに起因するレプトンフラックスとレプトンに起因するエネルギーフラックスという、クロス応答関数の支配的役割を特定した。
• リバモアおよびラティマー＝スウェスティの状態方程式を用いて、複数の超新星母星モデルに対して、不安定性領域の体系的サーベイを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リバモアグループが提唱するニュートロン指紋不安定性は、熱的等化がレプトン的等化を上回る条件下で、原始超新星に実際に発生するのか？
• RQ2 ニュートリノ媒介による熱的等化とレプトン的等化の相対的速度は、ニュートリノ球以下のコアでどの程度か？
• RQ3 エントロピーとレプトン数密度の摂動の間のクロスカップリング応答関数は、流体安定性にどのように影響するか？
• RQ4 レプトン的等化が熱的等化を上回る場合に、どのような新たな二重拡散不安定性が出現するか？
• RQ5 既存の多次元コア崩壊シミュレーションから、レプトン-エントロピー指紋または半対流を同定できるか？

主な発見

• ニュートリノ球以下のコアでは、熱的等化よりもレプトン的等化が著しく速く進行しており、リバモアグループのニュートロン指紋モデルが仮定する前提とは矛盾する。
• 必要な条件（遅いレプトン的等化）が現実のコア崩壊条件下で満たされないため、ニュートロン指紋不安定性は発生しない。
• エントロピーに起因するレプトンフラックスのクロス応答関数が、絶対値で最大であり、エントロピーの差が主にレプトンの再分配を駆動していることを示している。
• レプトン-エントロピー指紋は、低レプトン数密度および正のエントロピー勾配領域に出現し、コア中心からの距離のおよそ1/20のスケールで最大成長率を示す。
• レプトン-エントロピー半対流は、レドウス不安定領域以下のショックを受けていない、高レプトン数密度領域に同定され、小スケールの不安定性を促進する。
• 一部の多次元コア崩壊シミュレーションに、レプトン-エントロピー指紋の存在がすでに観測されている可能性があり、これが超新星爆発メカニズムに重要な役割を果たしている可能性を示唆している。