[論文レビュー] Supernova-like explosion of massive rotating stars from disks surrounding a black hole

Sho Fujibayashi, Alan Tsz-Lok Lam+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、一般相対論的粘性放射線流体力学シミュレーションを用いて、質量が大きく急速に回転する星（20–45 M⊙）がブラックホールに崩壊する際、周囲のトーラスにおける粘性加熱によって、超新星に類似した爆発が発生することを示している。爆発エネルギーは約10⁵² ergに達し、噴出質量は約5 M⊙、⁵⁶Ni質量は0.15 M⊙を超える。これは、バルクラインIc型のような高エネルギー超新星と一致する。

ABSTRACT

We perform a new general-relativistic viscous-radiation hydrodynamics simulation for supernova-like explosion associated with stellar core collapse of rotating massive stars to a system of a black hole and a massive torus paying particular attention to large-mass progenitor stars with the zero-age main-sequence mass of $M_\mathrm{ZAMS}=$20, 35, and 45$M_\odot$ of Ref.~\cite{Aguilera-Dena2020oct}. Assuming that a black hole is formed in a short timescale after the onset of the stellar collapse, the new simulations are started from initial data of a spinning black hole and infalling matter that self-consistently satisfy the constraint equations of general relativity. It is found that with a reasonable size of the viscous parameter, the supernova-like explosion is driven by the viscous heating effect in the torus around the black hole irrespective of the progenitor mass. The typical explosion energy and ejecta mass for the large-mass cases ($M_\mathrm{ZAMS}=35$ and $45M_\odot$) are $\sim 10^{52}$ erg and $\sim 5M_\odot$, respectively, with $^{56}$Ni mass larger than $0.15M_\odot$. These are consistent with the observational data of stripped-envelope and high-energy supernovae such as broad-lined type Ic supernovae. This indicates that rotating stellar collapses of massive stars to a black hole surrounded by a massive torus can be a central engine for high-energy supernovae. By artificially varying the angular velocity of the initial data, we explore the dependence of the explosion energy and ejecta mass on the initial angular momentum and find that the large explosion energy $\sim 10^{52}$ erg and large $^{56}$Ni mass $\geq 0.15M_\odot$ are possible only when a large-mass compact torus with mass $\gtrsim 1M_\odot$ is formed.

研究の動機と目的

• 高エネルギー超新星（例：バルクラインIc型超新星）の背後にあるメカニズムを、一般相対論的シミュレーションを用いて調査すること。
• ブラックホール周囲の非一様に回転するトーラスにおける粘性加熱が、質量星の崩壊において超新星に類似した爆発を駆動できるかどうかを明らかにすること。
• ブラックホール-トーラス系における初期角運動量およびトーラス質量の変動が、爆発エネルギーおよび噴出質量に与える影響を評価すること。
• グリッド解像度の影響を検証することで、ブラックホール質量およびスピンの進化に対する数値的正確性を確認すること。
• 質量星の中心核崩壊において、エネルギーの高い超新星の中心エンジンとして、粘性加熱メカニズムが実現可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 制約方程式を満たす自己一貫性のある初期データを用いた、一般相対論的粘性放射線流体力学シミュレーションを実施。
• α-粘性法則（ν = αν cs H）を用いて、トーラス内での角運動量輸送および粘性加熱をモデル化。
• 初期データは、20、35、および45 M⊙の主系列星からの回転するブラックホールと降着物から構成される。
• 適応メッシュ細分化と高解像度グリッドを用いて、ブラックホール質量およびスピンの数値収束性を確保。
• 3次元流体力学コードにニュートリノ輸送近似を組み合わせ、時間積分により質量およびエネルギーフラックスを計算し、爆発エネルギーおよび噴出質量を算出。
• 収束性テストとして、低解像度および高解像度の計算結果（例：AD35-15 と AD35-15-hi）を比較。

Figure 1: Specific angular momentum, $j$ , as a function of the enclosed mass, $m$ , for the models of $M_{\mathrm{ZAMS}}=9$ , 20, 35, and $45M_{\odot}$ in Ref. [ 1 ] (solid curves). We also plot $j_{\mathrm{ISCO}}$ for a given black hole of mass $m$ and corresponding angular momentum $J(m)$ by the

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール周囲の質量的かつ非一様に回転するトーラスにおける粘性加熱が、質量星の崩壊において超新星に類似した爆発を駆動できるか？
• RQ2 質量星の崩壊において、初期角運動量およびトーラス質量が爆発エネルギーおよび噴出質量に与える依存関係は何か？
• RQ3 シミュレーションで得られた爆発特性（エネルギー、⁵⁶Ni質量）は、バルクラインIc型超新星などの観測データと一致するか？
• RQ4 数値解像度がブラックホール質量およびスピンの進化、およびそれによる爆発エネルギーに与える影響は何か？
• RQ5 粘性加熱メカニズムは、エネルギーが約10⁵² erg、⁵⁶Ni質量が0.15 M⊙を超える高質量前身星において、十分に爆発を駆動できるか？

主な発見

• 20–45 M⊙の前身星に対して、トーラス内での粘性加熱によって、エネルギーが約10⁵² ergの超新星に類似した爆発が発生する。
• 35 M⊙および45 M⊙の前身星では、噴出質量が約5 M⊙に達し、⁵⁶Ni質量が0.15 M⊙を超える。これはバルクラインIc型超新星と一致する。
• エネルギーが約10⁵² erg、⁵⁶Ni質量が0.15 M⊙以上に達する爆発は、初期に質量的トーラス（1 M⊙以上）が形成された場合にのみ発生する。
• 高解像度グリッドでは、より効率的な粘性加熱と減少した降着により、ブラックホール質量はわずかに低く、噴出質量はわずかに高くなる。
• 高解像度計算では爆発エネルギーがわずかに大きくなることから、トーラス内での粘性加熱が安定したエネルギー源であることが確認された。
• 数値収束性テストの結果、ブラックホール質量およびスピンにおいて4次収束が確認され、t = 80,000 M_BH 時に Δx ≤ 0.016 M_BH の範囲で誤差は1.6%未満、Δχ ≈ 0.004 であった。

Figure 2: Snapshots of the profiles for several quantities at selected time slices for model AD35-15 . At each time, the rest-mass density (top-left), entropy per baryon (top-right), temperature (bottom-left), and electron fraction (bottom-right) are displayed. The poloidal velocity field is depicte