[論文レビュー] Pushing 1D CCSNe to explosions: model and SN 1987A

Albino Perego, Matthias Hempel+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 119被引用数 45

ひとこと要約

本論文は、球対称なコア崩壊超新星シミュレーションにおいて、重いフレーバーのニュートリノフラックスに比例するエネルギー供給の強化を用いて爆発を誘発するPUSH法を導入する。18.0 M⊙のZAMS前身星で、コンパクトネスξ₁.₇₅ = 0.463のものについて、SN 1987Aと一致する爆発エネルギー（1.092ベーテ）、⁵⁶Ni産出量（0.073 M⊙）、降着（0.1 M⊙）を再現し、重力的中性子星質量1.50 M⊙を予測する。

ABSTRACT

We report on a method, PUSH, for triggering core-collapse supernova explosions of massive stars in spherical symmetry. We explore basic explosion properties and calibrate PUSH such that the observables of SN1987A are reproduced. Our simulations are based on the general relativistic hydrodynamics code AGILE combined with the detailed neutrino transport scheme IDSA for electron neutrinos and ALS for the muon and tau neutrinos. To trigger explosions in the otherwise non-exploding simulations, we rely on the neutrino-driven mechanism. The PUSH method locally increases the energy deposition in the gain region through energy deposition by the heavy neutrino flavors. Our setup allows us to model the explosion for several seconds after core bounce. We explore the progenitor range 18-21M$_{\odot}$. Our studies reveal a distinction between high compactness (HC) and low compactness (LC) progenitor models, where LC models tend to explore earlier, with a lower explosion energy, and with a lower remnant mass. HC models are needed to obtain explosion energies around 1 Bethe, as observed for SN1987A. However, all the models with sufficiently high explosion energy overproduce $^{56}$Ni. We conclude that fallback is needed to reproduce the observed nucleosynthesis yields. The nucleosynthesis yields of $^{57-58}$Ni depend sensitively on the electron fraction and on the location of the mass cut with respect to the initial shell structure of the progenitor star. We identify a progenitor and a suitable set of PUSH parameters that fit the explosion properties of SN1987A when assuming 0.1M$_{\odot}$ of fallback. We predict a neutron star with a gravitational mass of 1.50M$_{\odot}$. We find correlations between explosion properties and the compactness of the progenitor model in the explored progenitors. However, a more complete analysis will require the exploration of a larger set of progenitors with PUSH.

研究の動機と目的

• 自己一貫した爆発が失敗する球対称なシミュレーションにおいて、計算的に効率的なコア崩壊超新星爆発の誘発法を開発すること。
• SN 1987Aの観測された性質（爆発エネルギー、⁵⁶Ni産出量、残骸質量）に照らして、この手法をキャリブレーションすること。
• 18–21 M⊙の範囲における前身星のコンパクトネスに起因する爆発ダイナミクスおよび核合成への依存性を調査すること。
• シミュレートされた産出量とSN 1987Aの観測値を一致させるために、降着の妥当性を評価すること。
• 1次元フレームワーク内でSN 1987Aの主要な観測量を再現できる前身星モデルとPUSHパラメータを同定すること。

提案手法

• PUSH法は、局所的な重いフレーバーのニュートリノフラックスに比例して、ゲイン領域におけるエネルギー供給を人工的に強化することで、そうでなければ爆発しないシミュレーションを誘発する。
• シミュレーションでは、電子ニュートリノに対してはIDSA、重いフレーバーのニュートリノに対してはASLを用いたニュートリノ輸送スキームと、AGILE GR流体力学コードを組み合わせる。
• 爆発のタイミングと強度は、3つのパラメータ（起動時刻 t_on、上昇時間 t_rise、スケーリング係数 k_push）で制御される。
• この手法は、ξ₁.₇₅パラメータで定量化されるコンパクトネスが異なる18–21 M⊙のZAMS前身星モデルに適用される。
• ⁵⁷–⁵⁸Ni産出量および核合成産出量への影響を評価するために、質量カット位置と電子分率を追跡する。
• SN 1987Aの爆発エネルギー、⁵⁶Ni産出量、降着質量との一致度に基づいて、好適なモデルを選定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノフラックスに基づく人工的誘発（PUSH）は、球対称なシミュレーションにおいてSN 1987Aの爆発エネルギーおよび核合成産出量を適切に再現できるか？
• RQ2 前身星のコンパクトネス（ξ₁.₇₅）は、PUSHフレームワーク内での爆発タイミング、エネルギー、残骸質量にどのように影響するか？
• RQ3 SN 1987Aの観測値と一致させるために、どの程度の降着質量を必要とするか？
• RQ4 SN 1987Aで観測された⁵⁷–⁵⁸Ni産出量は、前身星のシェル構造に相対する質量カット位置を調整することで再現可能か？
• RQ5 PUSH法の下でSN 1987Aの観測量と一致する前身星モデルに対して予測される中性子星質量は何か？

主な発見

• 18.0 M⊙のZAMS前身星で、ξ₁.₇₅ = 0.463、PUSHパラメータ（t_on = 80 ms、t_rise = 200 ms、k_push = 3.5）を用いたモデルが、SN 1987Aの観測量を最もよく再現する。
• 爆発エネルギーは1.092ベーテであり、SN 1987Aの観測値（1ベーテ）と整合的である。
• ⁵⁶Ni産出量は0.073 M⊙であり、観測値と一致させるために0.1 M⊙の降着が必要である。
• 中性子星の重力的質量は1.50 M⊙であり、これはバリオン質量1.66 M⊙に対応する。
• ⁴⁴Ti産出量はモデルで不足気味であるが、核反応率や噴出物の混合に関する不確実性がこの乖離を緩和する可能性がある。
• 1ベーテに近い爆発エネルギーを得るためには、ξ₁.₇₅ > 0.45（高いコンパクトネス）のモデルが必要であり、低コンパクトネスのモデルは早期に低エネルギーで爆発する。