[論文レビュー] Numerical Simulations of the Random Angular Momentum in Convection: Implications for Supergiant Collapse to Form Black Holes

Andrea Antoni, Eliot Quataert|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 67被引用数 54

ひとこと要約

本研究では、Athena++フレームワークを用いた3次元流体力学的シミュレーションを通じて、回転のない赤超巨星（RSG）の包層内におけるランダムな対流運動が、ブラックホール（BH）形成時ですら、ゼロのネット角運動量を持つにもかかわらず、回転支持された降着流を形成するのに十分な特定角運動量を生成することを示している。主な結果は、このような流れが長期間にわたるトランジエンスを駆動できることであり、ヘリウム核が大部分降着された場合、BHスピンは約0.5に達することである。

ABSTRACT

During the core collapse of massive stars that do not undergo a canonical energetic explosion, some of the hydrogen envelope of a red supergiant (RSG) progenitor may infall onto the newborn black hole (BH). Within the Athena++ framework, we perform three-dimensional, hydrodynamical simulations of idealized models of supergiant convection and collapse in order to assess whether the infall of the convective envelope can give rise to rotationally-supported material, even if the star has zero angular momentum overall. Our dimensionless, polytropic models are applicable to the optically-thick hydrogen envelope of non-rotating RSGs and cover a factor of 20 in stellar radius. At all radii, the specific angular momentum due to random convective flows implies associated circularization radii of 10 - 1500 times the innermost stable circular orbit of the BH. During collapse, the angular momentum vector of the convective flows is approximately conserved and is slowly varying on the timescale relevant to forming disks at small radii. Our results indicate that otherwise failed explosions of RSGs lead to the formation of rotationally-supported flows that are capable of driving outflows to large radii and powering observable transients. When the BH is able to accrete most of the hydrogen envelope, the final BH spin parameter is $\sim$ 0.5, even though the star is non-rotating. For fractional accretion of the envelope, the spin parameter is generally lower and never exceeds 0.8. We discuss the implications of our results for transients produced by RSG collapse to a black hole.

研究の動機と目的

• 回転のない赤超巨星（RSG）包層内のランダムな対流運動が、ブラックホール（BH）形成時に回転支持された降着流を形成するのに十分な角運動量を生成できるかどうかを調査すること。
• 星がゼロのネット角運動量を持つにもかかわらず、このような流れが失敗超新星（FSN）における観測可能なトランジエンスを駆動できるかどうかを特定すること。
• 水素包層が部分的または完全に降着された場合の、最終的なBHスピンおよび降着ダイナミクスを定量化すること。
• 長期間にわたるトランジエンス、特に超長期間ガンマ線バーストおよび高エネルギー型II超新星への影響を評価すること。

提案手法

• 非回転RSGの対流的包層と崩壊をモデル化するため、Athena++コードを用いた3次元、理想化された多項指数流体力学的シミュレーションを実施する。
• 星の半径20倍の範囲をカバーする次元なし軸対称モデルを用い、対流的角運動量の役割を分離する。
• 対流による流れからの特定角運動量（jrand）の時間的変化を追跡し、内側安定円軌道（ISCO）の角運動量（jISCO）と比較する。
• 崩壊段階をシミュレーションし、jrandが小さな半径まで一貫性を保ち、円軌道化および回転支持が可能かどうかを検証する。
• 質量降着率、円軌道化半径、最終的なBHスピンパラメータを含む降着ダイナミクスを分析する。
• 異なる降着率の結果を比較し、スピンの進化とトランジエンスの可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転のないRSG包層内のランダムな対流運動が、BH形成時に回転支持された降着流を形成するのに十分な角運動量を生成できるか？
• RQ2 プロジェネーターにゼロのネット角運動量があるにもかかわらず、水素包層が完全に降着された場合の最終的BHスピンパラメータはどの程度か？
• RQ3 対流によって生成された角運動量の円軌道半径は、BHのISCOと比べてどの程度か？
• RQ4 回転支持が失敗超新星における噴出物および長期間トランジエンスを駆動するのにどの程度寄与するか？

主な発見

• RSG包層内のランダムな対流流が生成する特定角運動量（jrand）は、すべての半径でISCOにおけるケプラーモーメント（jISCO）の10～1500倍にのぼる。
• 対流流の角運動量ベクトルは、崩壊過程で概ね保存され、小さな半径における円軌道形成に必要な時間スケールでゆっくりと変化する。
• ゼロのネット角運動量であっても、水素包層の大部分が降着された場合、最終的なBHスピンパラメータは約0.5に達する。
• 部分的包層降着では、BHスピンは一般的に低く、0.8を超えることはなく、対流的角運動量によるスピンの上限が堅牢であることが示唆される。
• jaccが円軌道化半径まで一貫性を保つ性質により、大半の半径にまで延びる回転支持流の形成が可能になる。
• 結果から、RSGの失敗超新星が月～年単位のトランジエンスを駆動でき、発光度が最大で約10^40 erg s⁻¹に達する可能性があり、超長期間ガンマ線トランジエンスおよび高エネルギー型II超新星の説明に役立つ可能性がある。