[論文レビュー] Nucleosynthesis Calculations from Core-Collapse Supernovae

Chris L. Fryer, Patrick Young+9 more|ArXiv.org|Nov 28, 2008

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、コアコラプス超新星核合成シミュレーションにおける爆発メカニズムを評価し、ピストン駆動型モデルではなく、エントロピーまたはエネルギー注入を用いることで、降着と生成物の再現が可能になると主張している。ピストン駆動型モデルは降着を著しく低く見積もっており、重元素の生成物において1桁の誤差を生じるが、エネルギー／エントロピー注入は、対流強化型ニュートリノ駆動メカニズムをよりよく再現し、現在ではNuGrid共同研究会で生成物の精度を数倍の範囲に保つ標準的手法となっている。

ABSTRACT

We review some of the uncertainties in calculating nucleosynthetic yields, focusing on the explosion mechanism. Current yield calculations tend to either use a piston, energy injection, or enhancement of neutrino opacities to drive an explosion. We show that the energy injection, or more accurately, an entropy injection mechanism is best-suited to mimic our current understanding of the convection-enhanced supernova engine. The enhanced neutrino-opacity technique is in qualitative disagreement with simulations of core-collapse supernovae and will likely produce errors in the yields. But piston-driven explosions are the most discrepant. Piston-driven explosion severely underestimate the amount of fallback, leading to order-of-magnitude errors in the yields of heavy elements. To obtain yields accurate to the factor of a few level, we must use entropy or energy injection and this has become the NuGrid collaboration approach.

研究の動機と目的

• コアコラプス超新星核合成計算における、異なる人工的爆発メカニズムの正確性を評価すること。
• 3次元シミュレーションで観測される対流強化型ニュートリノ駆動爆発メカニズムを最もよく再現する爆発方法を特定すること。
• ピストンモデルにおける降着の過大評価を是正することで、特に56Ni や 44Ti などの重元素の系統的誤差を低減すること。
• エントロピーまたはエネルギー注入を用いた、より物理的に整合性のある生成物計算フレームワークを確立し、NuGrid共同研究会で採用すること。

提案手法

• 3次元超新星シミュレーションデータを用い、原始中性子星周辺の対流領域におけるエネルギー沈殿をモデル化し、エントロピーおよびエネルギー注入プロファイルに注目する。
• 対流領域が拡張するに従い、均一なエントロピー勾配を維持するため、エントロピー注入を適用する。これは、対流強化爆発で観察される物理的挙動を模倣する。
• エネルギー注入を対流領域（数分の1太陽質量程度）に限定し、シャックフロントを超えてエネルギーを沈殿させない。
• ピストン駆動型、エネルギー注入型、およびニュートリノ透過率増強型モデルの結果を比較し、降着および核合成生成物に与える影響を評価する。
• シャック半径が1000 kmを超えた時点でエネルギー注入のカットオフを設定し、密度低下に伴う自然なエネルギー沈殿の減少を許容する。
• 注入レートおよび総エネルギーをキャリブレーションし、遅延時間を制約し、生成物の不確実性を数倍の範囲に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピストン、エネルギー注入、およびニュートリノ透過率増強という、異なる人工的爆発メカニズムは、コアコラプス超新星における核合成生成物にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ピストン駆動型モデルは、降着をどの程度低く見積もっており、その結果、重元素の生成物にどのような影響を与えるか？
• RQ3 エントロピーまたはエネルギー注入メカニズムは、ピストンモデルよりも、対流強化型ニュートリノ駆動爆発メカニズムの物理的状態をより正確に再現できるか？
• RQ4 エネルギー注入レートおよび総エネルギーの変動は、最終的な核合成生成物にどのように影響を与え、不確実性を低減できるか？
• RQ5 降着は、超新星モデルと観測されたコンパクト残骸質量、およびr過程核合成を一致させる役割を果たすか？

主な発見

• ピストン駆動型爆発は、降着を著しく低く見積もっており、56Ni や 44Ti などの重元素の生成物において1桁の誤差を生じる。
• エネルギー注入およびエントロピー注入メカニズムは、対流強化型ニュートリノ駆動爆発メカニズムと整合する生成物を生み出すが、ニュートリノ透過率増強モデルは3次元シミュレーションとは定性的に食い違う。
• 23eシリーズのピストンモデルでは、約2×10^51 ergの爆発エネルギーで2.6 M⊙の残骸が生成されるが、他のモデル（WWおよびCL）では1.5 M⊙未満の残骸質量が予測され、ピストン駆動型降着の人工的性質が顕著に現れる。
• ピストンモデルは、エネルギー注入モデルと比較して、45Sc の生成物を10倍以上多く生成しており、顕著な生成物差が生じている。
• 44Ti/56Ni生成物比は、ピストンモデルとエネルギー注入モデルの間で1桁の差が生じる可能性があり、カシオペアAのような歴史的超新星の解釈に影響を与える。
• NuGrid共同研究会では、現在、エントロピー注入を用いて生成物の精度を数倍の範囲に保つようになっており、シャック半径が1000 kmを超えた時点で注入を停止している。