[論文レビュー] Non-spherical Core Collapse Supernovae I. Neutrino-Driven Convection, Rayleigh-Taylor Instabilities, and the Formation and Propagation of Metal Clumps

K. Kifonidis, T. Plewa+2 more|CERN Bulletin|Feb 12, 2003

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 81被引用数 192

ひとこと要約

本稿では、コア収縮超新星の2次元流体力学的シミュレーションを提示し、中性子体駆動乱流およびレイノルズ不安定性が、衝撃波再活性化直後数分以内に、異方的で低エントロピーの金属豊富な殻をクラスターに断片化させることを示している。クラスターは約300秒後に流れから分離し、3500–5500 km/sの球面的運動を示す。タイプIbモデルは、初期状態の包層構造や逆方向衝撃波の効果の違いにより、タイプIIモデルよりも観測されたクラスター速度と一致する。

ABSTRACT

Two-dimensional simulations of a Type II and a Type Ib-like supernova explosion are presented that encompass shock revival by neutrino heating, neutrino-driven convection, explosive nucleosynthesis, the growth of Rayleigh-Taylor instabilities, and the propagation of newly formed metal clumps through the exploding star. In both cases we find very high Ni56 velocities of 17000 km/s shortly after shock-revival, and a complete fragmentation of the progenitor's metal core within the first few minutes after core bounce, due to the growth of Rayleigh-Taylor instabilities at the Si/O and (C+O)/He composition interfaces. This leads to the formation of high-velocity, metal-rich clumps which eventually decouple from the flow and move ballistically through the ejecta. Maximum final metal velocities of 3500-5500 km/s and 1200 km/s are obtained for the Type Ib model and the Type II model, respectively. The low maximum metal velocities in the Type II model, which are significantly smaller than those observed in SN 1987A, are due to the massive hydrogen envelope of the progenitor. The envelope forces the supernova shock to decelerate strongly, leaving behind a reverse shock below the He/H interface, which interacts with the clumps and slows them down significantly. This reverse shock is absent in the Type Ib-like model. The latter is in fairly good agreement with observations of Type Ib supernovae. In addition, in this case the pattern of clump formation in the ejecta is correlated with the convective pattern prevailing during the shock-revival phase. This might be used to deduce observational constraints for the dynamics during this early phase of the evolution, and the role of neutrino heating in initiating the explosion.

研究の動機と目的

• コア収縮超新星の過程において、中性子体駆動乱流およびレイノルズ不安定性が噴出物の異方性および金属クラスター形成に果たす役割を調査すること。
• 同一の初期状態フレームワーク下で、タイプIIおよびタイプIbに類似した爆発の流体力学的性質および混合特性を比較すること。
• 初期の多次元的流体力学的過程が、最終的な金属クラスター速度に与える影響、および合成スペクトルや光曲線に与える意味を明らかにすること。
• 噴出物内の金属クラスターの構造が、衝撃波再活性化期における中性子体駆動乱流の力学を推定する手がかりとして利用可能かどうかを検討すること。
• 逆方向衝撃波および初期星の包層構造が、クラスターの減速および最終速度に与える影響、特に観測された超新星残骸に関連して評価すること。

提案手法

• 15 M⊙の青超巨星初期星を対象としたコア収縮の2次元流体力学的シミュレーションを実施し、中性子体加熱、衝撃波再活性化、核合成を含む。
• 物理的一致性を確保するため、WoosleyとBruennが提供した初期状態およびバウンス後のモデルを初期条件として用いる。
• 中性子体駆動乱流によって引き起こされる不安定性が、Si/Oおよび(C+O)/He界面でレイノルズ不安定性が成長する過程を追跡する。
• 金属豊富なクラスターの形成、伝播、減速を、抗力および圧力勾配を考慮してシミュレーションする。
• 同じ初期星から水素包層を除去することで、タイプIIとタイプIbに類似したモデルを比較し、包層の影響を分離する。
• 特に流体との結合から球面的分離への移行に注目し、クラスター速度および混合パターンの進化を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子体駆動乱流およびレイノルズ不安定性は、コア収縮超新星における金属豊富なクラスターの形成および断片化にどのように寄与するか？
• RQ2 初期星の包層構造は、衝撃波再活性化後の金属クラスターの最終速度および減速にどのような役割を果たすか？
• RQ3 同じ初期爆発メカニズムを有するにもかかわらず、なぜタイプIIとタイプIbに類似した超新星は異なる最終的な金属クラスター速度を示すのか？
• RQ4 噴出物内でのクラスターの空間的分布は、衝撃波再活性化期における中性子体駆動乱流の力学を観測的に制約する手がかりとなるか？
• RQ5 初期の逆方向衝撃波の相互作用が、金属クラスターの最終速度にどの程度影響を及ぼし、合成スペクトルモデリングにどのような影響を及えるか？

主な発見

• 金属豊富なクラスターは、衝撃波再活性化後約20秒以内に、中性子体駆動乱流によって引き起こされるレイノルズ不安定性によって、異方的で低エントロピーの鉄群殻が断片化することで形成される。
• クラスターはバウンス後約300秒に流れから分離し、球面的運動を開始し、タイプIIおよびタイプIbに類似したモデルの両方で最大速度が約3500–5500 km/sに達する。
• タイプIIモデルでは、バウンス後約1500秒以降に、密度の高い水素包層および逆方向衝撃波による強い抗力のため、クラスター速度が著しく低下し、バウンス後20,000秒には約1200 km/sにまで低下する。
• タイプIbに類似したモデルでは、SN 1987A や SN 1987F における観測されたクラスター速度と良好に一致し、3500–5500 km/sの速度が安定して維持される。
• タイプIbモデルにおける最終的なクラスター速度のパターンは、衝撃波再活性化期の乱流構造と相関しており、初期爆発ダイナミクスを観測的に推定する可能性のある診断法を示唆する。
• 逆方向衝撃波によるクラスターの減速は、観測値とモデル値の乖離を説明する重要な要因であり、特にタイプII系の事例においてはスペクトルモデリングにおいて考慮すべきである。