[論文レビュー] Possible indications for jittering jets in core collapse supernova explosion simulations

Noam Soker|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、3次元流体力学的シミュレーションからの証拠を提示し、磁場が存在しない状況でも、確率的な角運動量の降着によって、方向が変化するジャッタリングジェット（方向が変化する双極的噴流）がコア崩壊超新星爆発において出現しうることを示唆している。主な発見は、高い角運動量の降着と診断的爆発エネルギーの急増との間で強い正の相関が認められることであり、ニュートリノ加熱と角運動量の間の相互作用が、爆発的ジェット活動を駆動していることを示している。

ABSTRACT

I analyse recent three-dimensional hydrodynamical simulations of exploding core collapse supernovae (CCSNe) and find that a rapid increase in the diagnostic explosion energy occurs parallel to, or very shortly after, the accretion of gas with relatively large amount of angular momentum and/or specific angular momentum. The tendency towards a positive correlation between angular momentum accretion and the increase in the explosion energy appears despite the absence of magnetic fields in the simulations. I speculate that the inclusion of magnetic fields would make this positive correlation much stronger and would increase the explosion energy. At times, the high angular momentum accretion leads to a bipolar outflow that in some cases changes directions. I argue that there is a mutual influence between neutrino heating and stochastic angular momentum, and that both operate together to explode the star with bipolar outflows that change directions, namely, jittering jets. This study calls for a deep flow analysis of simulations of CCSNe, e.g., to present the flow structure, the density, and the angular momentum of the flow near the newly born neutron star (NS).

研究の動機と目的

• 3次元コア崩壊超新星シミュレーションにおける角運動量降着と診断的爆発エネルギーの増加との相関関係を調査すること。
• シミュレーションに磁場が存在しないにもかかわらず、観察されたエネルギーの急増と双極的噴流の方向変化が、ジャッタリングジェットの存在を示しているかどうかを評価すること。
• ニュートリノ加熱と確率的角運動量の間の相互作用が、非対称的で時間的に変化する噴流をどのように駆動しているかを調査すること。
• 今後のシミュレーションにおいて、新生中性子星周辺の角運動量、密度、流れ構造に注目した深層的流れ解析を推奨すること。
• ニュートリノ加熱と角運動量の揺らぎの組み合わせが、クルーマとベラの星雲のジェット様特徴を示す観測された超新星残骸を説明できることを主張すること。

提案手法

• Müllerら（2017, 2018, 2019）の3次元流体力学的シミュレーションを、降着前の摂動を含む・含まない両方のケースで分析し、バリオン質量、角運動量、診断的爆発エネルギーの時間的変化を追跡した。
• 時間微分を用いて角運動量成分の比角運動量を計算した：$ j = (j_x^2 + j_y^2 + j_z^2)^{1/2} $、ここで $ j_i = dJ_i / dM_{\text{by}} $。
• 診断的爆発エネルギーの時間的増加と、比角運動量のピーク、角運動量ベクトルの変化との相関を分析した。
• エントロピー分布図と噴流の形状（例：図5および図6）を検討し、双極的噴流の方向変化を特定し、ジャッタリングジェットの証拠と解釈した。
• 観測的類似例（例：パルサー回転軸に沿った「耳」を持つクルーマとベラの超新星残骸）を用いて、ジェット誘発的形状特徴の妥当性を裏付けた。
• ニュートリノ加熱と角運動量の揺らぎが、熱的圧力とシャワー力学を介して、磁場が存在しない状況でも爆発を駆動する連携的作用を示していると提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コア崩壊超新星シミュレーションにおいて、高い角運動量の降着と診断的爆発エネルギーの増加との間に、統計的に有意な相関が認められるか？
• RQ2 明示的な磁場が存在しないシミュレーションでも、方向が変化する双極的噴流（ジャッタリングジェット）が出現するか？
• RQ3 ニュートリノ加熱と確率的角運動量の揺らぎが、非対称的爆発ダイナミクスをどれほど共同で駆動しているか？
• RQ4 降着前の摂動が、角運動量駆動のエネルギー急増およびジェット様噴流の発生と進化にどのように影響するか？
• RQ5 角運動量と加熱の間の観察された相互作用が、1次元モデルや観測された超新星残骸の解釈にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 磁場が存在しないシミュレーションでも、降着ガスの比角運動量のピークと診断的爆発エネルギーの急増との間に明確な正の相関が観察された。
• エントロピーおよび密度マップにおける軸のずれを示す双極的噴流の方向変化が、高い角運動量の降着と同時に発生し、ジャッタリングジェット行動の証拠となった。
• シミュレーションでは、降着前のコアのネット角運動量がゼロであっても、一時的で非対称な噴流が形成され、ジェットに類似した形状を示した。
• Müllerら（2019）の図6に示されるように、方向が変化する双極的噴流の存在は、磁場が存在しない状況でもジャッタリングジェットの視覚的証拠を提供している。
• 本研究は、ニュートリノ加熱と角運動量の揺らぎが相乗的に作用して爆発を駆動している可能性を示唆しており、後者の効果が前者を強化する可能性がある。
• 結果から、今後の磁気力学的シミュレーションにおいて、中性子星周辺の高解像度と降着前の摂動の組み合わせにより、観測値と一致する$10^{52}$ ergを超える爆発エネルギーを達成できる可能性があると示唆された。