[論文レビュー] Non-Spherical Core-Collapse Supernovae II. Late-Time Evolution of Globally Anisotropic Neutrino-Driven Explosions and Implications for SN 1987A

K. Kifonidis, T. Plewa+3 more|ArXiv.org|Nov 11, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 136

ひとこと要約

本研究では、回転しない15 M☉の青超巨星の核心崩壊超新星について2次元流体力学的シミュレーションを実施し、全般的に非対称で低次のモード駆動型の爆発（主にl=2およびl=1モード）が、SN 1987Aの主要な特徴を再現することを示した。モデルは、初期の衝撃波の変形と逆方向衝撃波の干渉の抑制により、高エネルギー鉄群元素の噴出（最大3300 km/s）、ヘリウム/水素界面における強い混合（水素が500 km/sまで混合）、および縦長の噴出物の非対称性（主軸/短軸比 ≈1.6）を達成し、特異な物理を必要としないニュートリノ駆動型爆発メカニズムを支持する。

ABSTRACT

Two-dimensional simulations of strongly anisotropic supernova explosions of a nonrotating 15 solar mass blue supergiant progenitor are presented, which follow the hydrodynamic evolution from times shortly after shock formation until hours later. It is shown that explosions which around the time of shock revival are dominated by low-order unstable modes (i.e. by a superposition of the l=2 and l=1 modes, in which the former is strongest), are consistent with all major observational features of SN 1987A, in contrast to models which show high-order mode perturbations only and were published in earlier work. Among other items, the low-mode models exhibit final iron-group velocities of up to 3300 km/s, strong mixing at the He/H composition interface, with hydrogen being mixed downward in velocity space to only 500 km/s, and a final prolate anisotropy of the ejecta with a major to minor axis ratio of about 1.6. The success of low-mode explosions with an energy of about 2x10**51 erg to reproduce these observed features is based on two effects: the (by 40%) larger initial maximum velocities of metal-rich clumps compared to our high-mode models, and the initial global deformation of the shock. The latter triggers the growth of a strong Richtmyer-Meshkov instability at the He/H interface that results in a global anisotropy of the inner ejecta at late times (i.e. t > 10000 s), although the shock itself has long become spherical by then. The simulations suggest a coherent picture, which explains the observational data of SN 1987A within the framework of the neutrino-driven explosion mechanism using a minimal set of assumptions. It is therefore argued that other paradigms, which are based on (more) controversial physics, may not be required to explain this event. (abbreviated)

研究の動機と目的

• 全般的に非対称で低次のモード駆動型ニュートリノ駆動型爆発が、SN 1987Aの観測された特徴を再現できるかどうかを調査すること。
• 従来のモデル、特に高次のモードを用いたモデルの失敗—特にSN 1987Aで観測された大規模な混合と高エネルギー噴出物を再現できない点—を解消すること。
• 初期の衝撃波の変形と初期の速度構造が、高速で金属豊富なクラスターが逆方向衝撃波の破壊から保護される役割を果たすメカニズムを検討すること。
• SN 1987Aで観測された縦長の非対称性と内部の水素の内向き混合が、初期に発生する流体力学的不安定性によって説明可能かどうかを検討すること。
• 最小限の仮定でニュートリノ駆動型爆発のメカニズムが、SN 1987Aの観測データを完全に説明でき、議論の多い物理的仮定を必要としないかどうかを評価すること。

提案手法

• コアバウンス後20 msから5時間以上経過した時点まで、15 M☉の青超巨星の前身星について2次元で高解像度の流体力学的シミュレーションを実施した。
• 最新のボルツマン輸送シミュレーションに整合するように、初期のニュートリノフラックスを低く設定し、減衰を遅くした修正されたニュートリノ加熱仮定を採用し、爆発スケールを延長した。
• セル界面における数値フラックスにフラックススプリット法（AUSM+）を用い、上流補間と界面音速を臨界音速条件を用いて計算することで、衝撃波の明鋭な解像度を確保した。
• t ≈ 100 s頃のヘリウム/水素界面における渦度の沈殿を分析することで、流体力学的不安定性（特にリヒトマイヤー・メシュコフ不安定性）の成長を追跡した。
• ラジアルモード分解（l=1およびl=2）を用いて衝撃波の変形と噴出物の非対称性の進化をモニタリングし、非球対称性を定量的に評価した。
• 鉄群元素の速度と混合パターンを追跡するため、詳細な核合成計算を組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ駆動型爆発における低次のグローバル非対称モード（l=1およびl=2）は、SN 1987Aで観測された高エネルギー鉄群元素の噴出（最大約3300 km/s）を再現できるか？
• RQ2 初期の衝撃波の変形は、逆方向衝撃波との相互作用を遅らせることで、高速で金属豊富なクラスターの生存と速度にどのような影響を及えるか？
• RQ3 ヘリウム/水素界面における渦度の沈殿が、衝撃波が球形に近づいた後でも、内側の噴出物における遅発の非対称性を生じる役割を果たすか？
• RQ4 高次のモードモデルがなぜSN 1987Aの観測された混合と非対称性を再現できないのか、その違いを説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 ニュートリノ駆動型爆発メカニズムのみで、SN 1987Aの主な観測的特徴を完全に説明でき、より議論の多い代替的パラダイムを必要としないのか？

主な発見

• 低次のグローバル非対称モード駆動型爆発は、鉄群元素の最終的な速度が最大で約3300 km/sに達し、SN 1987Aの観測結果と整合的である。
• 初期の衝撃波のグローバルな変形が、t ≈ 100 s頃にヘリウム/水素界面で渦度の沈殿を引き起こし、強いリヒトマイヤー・メシュコフ不安定性を誘発し、これが遅発の非対称性を駆動する。
• 内側の噴出物の縦長非対称性は、t ≈ 10,000 sにかけて主軸/短軸比が約1.6に達し、観測された非球対称性と一致する。
• 不安定性駆動型混合により、水素が速度空間で下向きに混合され、速度が約500 km/sまで低下し、SN 1987Aの観測された組成構造と整合的である。
• 金属豊富なクラスターの初期最大速度は、高次のモードモデルに比べて約40%高い。これにより、全行程にわたり音速以下を維持でき、逆方向衝撃波との相互作用によるエネルギー散逸を回避できる。
• シミュレーションは、最小限の仮定でニュートリノ駆動型爆発メカニズムが、SN 1987Aの主要な観測的特徴を完全に説明できることを示しており、より議論の多い物理的パラダイムを必要としていないことを示唆している。