[論文レビュー] The Fallback Mechanisms in Core-Collapse Supernovae

Tsing-Wai Wong, Chris L. Fryer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2体の巨大星の前身星に対する3次元流体力学的シミュレーションを用いて、核崩壊超新星におけるフォールバックメカニズムを調査し、逆方向シャワーの減速がフォールバックを駆動する上で軽微な役割を果たすことが示された。一方で、即時のメカニズム（希薄化波による減速や噴出物のエネルギー・運動量損失）が主導的である。研究では、フォールバックが降着加熱、ニュートリノ対消滅、およびBlandford-Znajek過程によって超高光度超新星を駆動できることを示しており、ピーク光度は10^50–10^52 erg/sに達する。

ABSTRACT

Although the details of the core-collapse supernova mechanism are not fully understood, it is generally accepted that the energy released in the collapse produces a shock that disrupts the star and produces the explosion. Some of the stellar material does not receive enough energy to escape the potential well of the newly formed neutron star and it falls back on to the core. This fallback plays an important role in setting compact remnant masses and has been invoked to explain a number of observed phenomena: late-time neutrino emission, r-process element production, peculiar supernovae, and long-duration gamma-ray bursts. To examine the link between fallback and these observed phenomena, we must understand the nature of fallback and currently, multiple mechanisms have been proposed that lead to different characteristics of the fallback. In this paper, we model a series of three-dimensional explosions by following the fallback for two different massive progenitors to study both the nature of the fallback and the role of asymmetric explosions on this fallback. One of the most-cited mechanisms behind fallback argues that it is caused by the reverse shock produced when the outward moving supernova shock decelerates in the relatively flat density profile of the stellar envelope. We show that this mechanism plays a minor, if any, role in driving fallback and most supernova fallback is produced by prompt mechanisms.

研究の動機と目的

• 核崩壊超新星におけるフォールバックを引き起こす主な物理的メカニズムを特定すること。
• 非対称爆発がフォールバックのダイナミクスおよび残骸質量形成に与える影響を評価すること。
• フォールバックが超高光度超新星およびガンマ線バーストを駆動する可能性を評価すること。
• 逆方向シャワーの減速メカニズムがフォールバックの主な駆動要因であるという仮説の妥当性を検証すること。
• 降着加熱、ニュートリノ対消滅、およびBlandford-Znajekメカニズムによるフォールバックからのエネルギー堆積量を定量化すること。

提案手法

• 2体の巨大星の前身星に対する核崩壊超新星の3次元流体力学的シミュレーションを実施し、時間経過に伴うフォールバックを追跡した。
• 即時のメカニズム（希薄化波による減速、噴出物のエネルギー・運動量損失）を用いてフォールバックをモデル化した。
• 比較のため、逆方向シャワーの減速を競合するフォールバックメカニズムとして組み込んだ。
• 降着加熱、ニュートリノ対消滅（式5）、Blandford-Znajek放射（式6）の3つのフォールバック駆動メカニズムを用いて爆発光度を推定した。
• エネルギー密度の平衡から導かれる磁場強度を用いたBlandford-Znajek式を適用した。
• シミュレーション全体を通じて、ピークフォールバック率と光度推定値の相関関係を分析し、フォールバック駆動爆発の光度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核崩壊超新星におけるフォールバックに寄与する逆方向シャワーの減速と即時のメカニズムの相対的寄与度は何か？
• RQ2 フォールバックエネルギー堆積が、降着加熱、ニュートリノ対消滅、またはBlandford-Znajek過程によって超高光度超新星をどれほど駆動できるか？
• RQ3 フォールバックはブラックホール形成にどのように寄与し、長期間にわたるガンマ線バーストの可能性を生じさせるか？
• RQ4 フォールバックから得られる爆発光度の最大値は何か？また、それはフォールバック率のピークとどの程度ずれているか？
• RQ5 非対称爆発は、フォールバック物質の分布およびダイナミクスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 逆方向シャワーの減速メカニズムは、フォールバックを駆動する上で、もしくはまったく寄与しないほど軽微な役割を果たすことが判明し、以前の仮定とは矛盾する。
• 大部分のフォールバックは、即時のメカニズム（希薄化波による減速、噴出物のエネルギー・運動量損失）によって駆動されている。
• Blandford-Znajekメカニズムによるエネルギー堆積は最大で10^52 erg/sに達し、ピーク光度は10^50–10^52 erg/sに達する。
• ニュートリノ対消滅の光度は、降着率とスピンパラメータに依存してピーク時に10^47–10^57 erg/sに達する。
• 降着加熱は、10^48–10^50 erg/sの爆発光度を生み出し、超高光度超新星を駆動するのに十分である。
• フォールバック駆動爆発の光度ピークは、フォールバック率のピークと同時に発生しており、直接的な因果関係が示唆される。