[論文レビュー] Parametrized 3D models of neutrino-driven supernova explosions: Neutrino emission asymmetries and gravitational-wave signals

Ewald Müller, Hans‐Thomas Janka+1 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Jun 30, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 69被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、軸対称性の制約なしに、3次元の流体力学的シミュレーションを用いて15と20 M⊙の星におけるニュートリノ駆動型超新星爆発を、レイごとのプラスグレー近似を用いたニュートリノ輸送と、軸フリーのオーバーラップグリッドで行い、全球的カバーを実現した。主な結果として、非球面的質量運動と異方的ニュートリノ放出による重力波の振幅は100–500 Hzの周波数帯で5–20 cmに達し、2次元モデルと比較して非一様な放出による干渉の欠如により振幅が小さく、共鳴的な衝撃波の揺れが存在しないため、2次元予測と比較してニュートリノ放射率の変動が著しく低減された。

ABSTRACT

Time-dependent and direction-dependent neutrino and gravitational-wave (GW) signatures are presented for a set of 3D hydrodynamic models of parametrized, neutrino-driven supernova explosions of non-rotating 15 and 20 solar mass stars. We employ an approximate treatment of neutrino transport. Due to the excision of the high-density core of the proto-neutron star and the use of an axis-free overset grid, the models can be followed from the post-bounce accretion phase for more than one second without imposing any symmetry restrictions. GW and neutrino emission exhibit the generic time-dependent features known from 2D models. Non-radial hydrodynamic mass motions in the accretion layer and their interaction with the outer layers of the proto-neutron star together with anisotropic neutrino emission give rise to a GW signal with an amplitude of ~5-20 cm and frequencies 100--500 Hz. The GW emission from mass motions reaches a maximum before the explosion sets in. Afterwards the GW signal exhibits a low-frequency modulation, in some cases describing a quasi-monotonic growth, associated with the non-spherical expansion of the explosion shock wave and the large-scale anisotropy of the escaping neutrino flow. Variations of the mass-quadrupole moment due to convective activity inside the nascent neutron star contribute a high-frequency component to the GW signal during the post-explosion phase. The GW signals exhibit strong variability between the two polarizations, different explosion simulations and different observer directions, and does not possess any template character. The neutrino emission properties show fluctuations over the neutron star surface on spatial and temporal scales that reflect the different types of non-spherical mass motions. The modulation amplitudes of the measurable neutrino luminosities and mean energies are significantly smaller than predicted by 2D simulations.

研究の動機と目的

• 対称性の制約なしに3次元でニュートリノ駆動型超新星爆発をモデル化し、全球的動的挙動を捉えること。
• 非球面的流体力学的運動と異方的ニュートリノ輸送に起因する重力波（GW）およびニュートリノ放射の特徴を調査すること。
• 3次元効果が重力波およびニュートリノ観測量に与える影響、特に2次元モデルで観測された共鳴的振動の抑制を評価すること。
• 内境界処理の制限と近似ニュートリノ輸送による観測量（放射率、エネルギーフラックス）の信頼性を評価すること。
• 将来のニュートリノおよび重力波観測装置が、原始中性子星の対流および爆発の非対称性をプローブできるかを検討すること。

提案手法

• 極特異性を回避し、全球的カバーを可能にする軸フリーのインヤン・ヤンオーバーラップグリッドを用いた3次元Euler流体力学コードを採用した。
• 多様なニュートリノ効果（異方的放射、エネルギー沈殿）をモデル化するため、レイごとのプラスグレー近似を用いたニュートリノ輸送を実装した。
• 計算コストを削減するために、原始中性子星コアにおける内半径境界を設定し、高密度領域を除外した。
• 降着から爆発および初期冷却に至るまでの後爆発期の進化を1秒以上にわたりシミュレートした。
• 非径方向の流れ、SASI、およびPNS対流に起因する時間変化する質量四極モーメントから重力波信号を計算した。
• 観測者に向かう表面領域におけるフラックスの統合により、視線効果を考慮した観測可能なニュートリノ放射率および平均エネルギーを算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元の流体力学的不安定性および異方的ニュートリノ放出は、核心崩壊超新星における重力波放射にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非一様な放出による干渉の欠如により、2次元モデルと比較して3次元モデルにおけるニュートリノ放射率およびスペクトル温度の変動はどの程度低減されるか？
• RQ3 非径方向の質量運動および原始中性子星対流に起因する重力波信号の振幅と周波数構造は何か？
• RQ4 観測方向および偏光が3次元モデルにおける重力波およびニュートリノ信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 内境界処理の制限およびニュートリノ輸送近似の限界が、予測されたニュートリノおよび重力波観測量の信頼性に与える影響は何か？

主な発見

• 重力波の振幅は、激しい非径方向の質量運動と異方的ニュートリノ放出に起因し、100–500 Hz帯で5–20 cmに達し、爆発発生の前後にピークを示した。
• 爆発後、非球面的衝撃波の拡張と異方的ニュートリノ放出に起因する低周波数の変調が観測され、一部のケースでは振幅が準単調に増加した。
• 降着期以降の原始中性子星内の対流活動は、300–600 Hzの高周波数成分の重力波をもたらした。
• ニュートリノ放射率および平均エネルギーの変動は、共鳴的衝撃波の揺れが存在しないため、2次元予測と比較して最大100%も低減された。
• 全ニュートリノエネルギー損失率および観測可能な放射率は、局所的フラックスの変動が激しくても、最大数パーセントの変動で滑らかな時間的変化を示した。
• 重力波の振幅は2次元モデルと比較して2–3倍低く、質量運動およびニュートリノ放出のコherenecが低下したためであり、偏光、シミュレーション、観測角度にわたり強い変動を示したため、テンプレートベースの検出は不可能であった。