[論文レビュー] Nucleosynthesis-relevant conditions in neutrino-driven supernova outflows. II. The reverse shock in two-dimensional simulations

Almudena Arcones, Hans‐Thomas Janka|Max Planck Digital Library|Aug 4, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 54被引用数 27

ひとこと要約

本研究は、後崩壊後の降着から風の拡張、および初期の噴出物との相互作用に至るまでの全過程を追跡する、最初の2次元流体力学的シミュレーションを提示する。非球面的な超新星噴出物分布が逆シャワー位置および風の状態に強い角度依存性をもたらし、密度、温度、拡張速度といった核合成に重要なパラメータに顕著な影響を与えることを示している。

ABSTRACT

After the initiation of the explosion of core-collapse supernovae, neutrinos emitted from the nascent neutron star drive a supersonic baryonic outflow. This neutrino-driven wind interacts with the more slowly moving, earlier supernova ejecta forming a wind termination shock (or reverse shock), which changes the local wind conditions and their evolution. Important nucleosynthesis processes (alpha-process, charged-particle reactions, r-process, and vp-process) occur or might occur in this environment. The nucleosynthesis depends on the long-time evolution of density, temperature, and expansion velocity. Here we present two-dimensional hydrodynamical simulations with an approximate description of neutrino-transport effects, which for the first time follow the post-bounce accretion, onset of the explosion, wind formation, and the wind expansion through the collision with the preceding supernova ejecta. Our results demonstrate that the anisotropic ejecta distribution has a great impact on the position of the reverse shock, the wind profile, and the long-time evolution. This suggests that hydrodynamic instabilities after core bounce and the consequential asymmetries may have important effects on the nucleosynthesis-relevant conditions in the neutrino-heated baryonic mass flow from proto-neutron stars.

研究の動機と目的

• 中性子星崩壊超新星におけるニュートリノ駆動風の長期的進化、ならびに初期の噴出物との相互作用を調査すること。
• 多次元流体不安定性および非球面的噴出物分布が逆シャワーおよび風の状態に与える影響を特定すること。
• r過程、νp過程、α過程などの核合成過程にこれらの流体力学的特徴が及える影響を評価すること。
• 多次元効果に起因するシャワー構造および風の性質の変動を定量化することで、今後の核合成研究の基盤を提供すること。

提案手法

• ニュートリノ加熱効果を捉えるために近似ニュートリノ輸送モデルを用いた2次元流体力学的シミュレーションを実施する。
• 後崩壊後の降着、爆発の発生、風の形成、および初期の超新星噴出物との相互作用に至るまでの進化を追跡する。
• ランキン＝ユゴニオのジャンプ条件を用いて逆シャワーの構造およびシャワーの傾斜効果をモデル化する。
• 1次元および2次元の半径方向プロファイルを比較し、噴出物圧力および密度の角度依存性が及ぼす影響を分離する。
• 逆シャワー半径の角度依存性およびそれが風の減速および集光に与える影響を分析する。
• プロジェネイトモデルはWoosley & Hegerのものを利用し、初期進化はVertex-Prometheusコードで計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期超新星噴出物の非球面的分布が、ニュートリノ駆動風における逆シャワーの位置および構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 多次元流体不安定性が、風密度、温度、および拡張速度の長期的進化に及ぼす影響は何か？
• RQ3 逆シャワーの角度依存性が、r過程およびνp過程に重要な核合成条件にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 同一の初期条件のもとで、1次元と2次元シミュレーションにおけるシャワー特性および風プロファイルの違いは何か？
• RQ5 逆シャワーの傾斜が、衝撃を受けた風物質の集光および減速に果たす役割は何か？

主な発見

• 初期超新星噴出物における非球面的圧力および密度分布により、逆シャワー半径に強い角度依存性が生じる。
• 2次元シミュレーションにおいて風プロファイルが非対称化され、異なる角度で拡張速度および熱力学的状態に顕著な差が生じる。
• ねじれた領域における斜めのシャワーは、物質の減速効率が低いため、その方向への流れの集光を引き起こす。
• 逆シャワーの位置は、風の速度、質量放出率、および角度に依存する噴出物の局所的圧力のバランスによって決定される。
• 同じプロジェネイトおよび爆発エネルギーであっても、非径向不安定性の混沌たる成長により、シャワーおよび風の進化に顕著な変動が生じる。
• 1次元で観測されたプロジェネイト依存の傾向（例：質量の大きい星ではシャワーの拡張が遅い）が2次元でも維持されるが、大規模な角度依存性が重畳される。