[論文レビュー] Multidimensional supernova simulations with approximative neutrino transport. II. Convection and the advective-acoustic cycle in the supernova core

Leonhard Scheck, Hans‐Thomas Janka+2 more|ArXiv.org|Apr 23, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用数 109

ひとこと要約

本研究は、近似的な中性子体輸送を用いた2次元多次元超新星シミュレーションにおいて、対流と定在降着波面不安定性（SASI）の相乗作用を調査する。SASIの振動が対流不安定性を誘発し、両不安定性が併存することで物質の輸送時間の延長が生じ、これが中性子体エネルギーの沈着を強化し、中性子体駆動型爆発メカニズムを支援することを示している。主な発見は、SASIの成長が純粋に音響的メカニズムよりも、輸送-音響サイクル（AAC）によって最もよく説明できることである。

ABSTRACT

By 2D hydrodynamic simulations including a detailed equation of state and neutrino transport, we investigate the interplay between different non-radial hydrodynamic instabilities that play a role during the postbounce accretion phase of collapsing stellar cores. The convective mode of instability, which is driven by negative entropy gradients caused by neutrino heating or by time variations of the shock strength, can be identified clearly by the development of typical Rayleigh-Taylor mushrooms. However, in cases where the gas in the postshock region is rapidly advected towards the gain radius, the growth of such a buoyancy instability can be suppressed. In such a situation the shocked flow nevertheless can develop non-radial asymmetry with an oscillatory growth of the amplitude. This phenomenon has been termed ``standing accretion shock instability'' (SASI). It is shown here that the SASI oscillations can trigger convective instability and like the latter they lead to an increase of the average shock radius and of the mass in the gain layer. Both hydrodynamic instabilities in combination stretch the advection time of matter through the neutrino-heating layer and thus enhance the neutrino energy deposition in support of the neutrino-driven explosion mechanism. A rapidly contracting and more compact nascent NS turns out to be favorable for explosions, because the accretion luminosity and neutrino heating are larger and the growth rate of the SASI is higher. Moreover, we show that the oscillation period of the SASI and a variety of other features in our simulations agree with estimates for the advective-acoustic cycle (AAC), in which perturbations are carried by the accretion flow from the shock to the neutron star and pressure waves close an amplifying global feedback loop. (abridged)

研究の動機と目的

• 核心崩壊超新星の爆発後段階における非径対称な流体力学的不安定性—特に対流とSASI—の役割を調査すること。
• 爆発ダイナミクスを誘発する要因として、対流かSASIのどちらが支配的であるかを特定すること。
• 初期の種の摂動が非対称性の発展および爆発開始に与える影響を評価すること。
• SASI成長の物理的メカニズムを、輸送-音響サイクル（AAC）仮説と純粋に音響的不安定性モデルとを対比して評価すること。
• 対流とSASIの併存が輸送時間の延長に与える影響を理解し、爆発成功に不可欠な中性子体エネルギーの沈着を強化する仕組みを解明すること。

提案手法

• 星間プラズマの詳細な状態方程式と近似的な中性子体輸送を用いた2次元流体ダイナミクスシミュレーションを実施する。
• グローバル（ダイポールおよびクアッドロール）非対称性を許容するため、180°の全角度グリッドを用いることで、人工的な制約を回避する。
• 中性子体輸送の近似に基づく中性子体加熱およびエネルギー沈着モデルを導入し、降着波面後のダイナミクスをシミュレートする。
• 対流のためのレイノルズ不安定性のくさり状構造（Rayleigh-Taylor mushroom structures）とSASIのための振動的波面非対称性を用いて不安定性の成長を分析する。
• 観測されたSASIの振動周期と増幅係数を、輸送-音響サイクル（AAC）モデルの予測と比較する。
• 輸送された摂動と音響波のフィードバックループを特徴とするAAC理論と整合するかを、降着波面後の流れにおける波の伝播経路、速度勾配、減速領域を検討することで検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対流とSASIは非線形的にどのように相互作用し、降着波面領域における中性子体エネルギーの沈着を強化するか？
• RQ2 多次元シミュレーションにおいて、初期の爆発後ダイナミクスを支配するのは、対流かSASIのどちらか？
• RQ3 SASIの成長は主に輸送-音響サイクル（AAC）に起因するのか、それとも純粋に音響的不安定性メカニズムに起因するのか？
• RQ4 物質がゲイン層を通る輸送時間は、中性子体駆動型爆発メカニズムの効率にどのように影響するか？
• RQ5 初期の種の摂動は、爆発エネルギーまたは中性子星のキック速度といった最終的な爆発特性に、どの程度影響を与えるか？

主な発見

• 対流とSASIは降着波面領域で共存し、互いに強め合い、平均的な波面半径とゲイン層質量を増加させる。
• シミュレーションにおけるSASIの振動周期は、波面から最も強い減速半径（R∇）までの輸送時間と一致し、AAC仮説を支持する。
• SASIの増幅係数と音響構造は、降着波面層内の速度勾配と強く相関しており、AAC予測と整合的である。
• 強い中性子体加熱はSASIの増幅効率を高めるが、これはAACフレームワークで説明可能であるが、純粋に音響的モデルでは説明できない。
• 観測されたSASI波の伝播経路は単一の音響経路とは一致せず、輸送された摂動と音響波のフィードバックループを示唆しており、AACの特徴的性質である。
• 対流とSASIの非線形的相互作用により、降着物質がゲイン層を通る輸送時間が延長され、結果として中性子体エネルギーの沈着が強化され、爆発の成立可能性が支持される。