[論文レビュー] The Progenitor Dependence of Three-Dimensional Core-Collapse Supernovae

Christian D. Ott, Luke F. Roberts+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 55被引用数 48

ひとこと要約

本研究は、5つの初期星（12–40 M⊙）を対象として、全一般相対論的・多群ニュートリノ放射流体力学シミュレーションを用いて、核崩壊超新星における三次元（3D）ニュートリノ駆動型爆発メカニズムを調査した。初期星の構造によって駆動される3つの異なる爆発モードが明らかになった。すなわち、強いニュートリノ加熱と乱流によって引き起こされる早期のシャワー飛翔、シェル境界の到達によって引き triggered される遅延爆発、SASIと低下する降着を介した遅い爆発であり、これらは非単調な残骸質量関係をもたらす。

ABSTRACT

We present a first study of the progenitor star dependence of the three-dimensional (3D) neutrino mechanism of core-collapse supernovae. We employ full 3D general-relativistic multi-group neutrino radiation-hydrodynamics and simulate the post-bounce evolutions of progenitors with zero-age main sequence masses of $12$, $15$, $20$, $27$, and $40\,M_\odot$. All progenitors, with the exception of the $12\,M_\odot$ star, experience shock runaway by the end of their simulations. In most cases, a strongly asymmetric explosion will result. We find three qualitatively distinct evolutions that suggest a complex dependence of explosion dynamics on progenitor density structure, neutrino heating, and 3D flow. (1) Progenitors with massive cores, shallow density profiles, and high post-core-bounce accretion rates experience very strong neutrino heating and neutrino-driven turbulent convection, leading to early shock runaway. Accretion continues at a high rate, likely leading to black hole formation. (2) Intermediate progenitors experience neutrino-driven, turbulence-aided explosions triggered by the arrival of density discontinuities at the shock. These occur typically at the silicon/silicon-oxygen shell boundary. (3) Progenitors with small cores and density profiles without strong discontinuities experience shock recession and develop the 3D standing-accretion shock instability (SASI). Shock runaway ensues late, once declining accretion rate, SASI, and neutrino-driven convection create favorable conditions. These differences in explosion times and dynamics result in a non-monotonic relationship between progenitor and compact remnant mass.

研究の動機と目的

• 初期星の性質が核崩壊超新星における3次元ニュートリノ駆動型爆発メカニズムにどのように影響するかを調査すること。
• 初期星の密度構造、ニュートリノ加熱、3次元流体力学が爆発ダイナミクスと結果をどのように決定づけるかを特定すること。
• 12–40 M⊙の範囲における初期星質量の多様性において、明確に区別できる爆発モードを同定し、その物理的駆動要因を説明すること。
• シミュレーションで観測された初期星質量とコンパクト残骸質量の非単調な関係を解明すること。

提案手法

• シミュレーションは、Einstein Toolkitに基づくZelmaniコードを用いて、全3次元一般相対論的多群ニュートリノ放射流体力学を実装した。
• 初期星質量がゼロ歳主系列で12、15、20、27、40 M⊙のものについて、Woosley & Heger (2007) および Woosley et al. (2002) のモデルを用いてシミュレーションした。
• 初期の1次元核崩壊シミュレーションを、バウンス後20–38 msまで進めた後、3次元直交座標グリッドにマッピングして、完全な3次元発展を実行した。
• ニュートリノ輸送は、3種類のスペーシーズ（νₑ、ν̄ₑ、νₓ）を用いたGR M1多群近似でモデル化した。
• ペタスケールスーパーコンピュータ（Blue Waters、Edison、Stampede）を用い、10,000コア以上を駆使して高分解能と長時間積分を達成した。
• 爆発の基準は、シャワー半径が100 kmを超えて拡大し、持続的な外向き運動を示すこととした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期星の密度構造が、核崩壊超新星における3次元ニュートリノ駆動型爆発の発生時期と形態にどのように影響するか？
• RQ2 ニュートリノ加熱、乱流対流、および停滞降着シャワー不安定性（SASI）が、爆発のタイミングと非対称性をどのように決定づけるか？
• RQ3 同程度の質量を持つにもかかわらず、3Dシミュレーションで40 M⊙の初期星は爆発するが、20 M⊙の初期星は爆発しないのはなぜか？
• RQ4 3次元爆発ダイナミクスが、最終的なコンパクト残骸質量および非対称性にどのように影響するか？
• RQ5 なぜシミュレーションで観測された初期星質量と残骸質量の間には非単調な関係が現れるのか？

主な発見

• 12 M⊙の初期星を除く全初期星が、バウンス後500 msまでにシャワー飛翔を経験しており、初期星構造に強く依存していることが示された。
• 40 M⊙の初期星は、極めて強いニュートリノ加熱と強い乱流によって引き起こされる早期のシャワー飛翔を示し、降着率からブラックホール形成の兆候が示された。
• 27 M⊙の初期星は、Si/Si-Oシェル境界がシャワーに到達することで遅延爆発が引き起こされ、乱流がそれを補助した。
• 12 M⊙の初期星はシャワー収縮を経験し、強力なSASIを発達させ、降着の低下とSASI／対流の併存効果により、やがて遅れて爆発した。
• 20 M⊙および27 M⊙の初期星の爆発は、従来の2次元シミュレーションよりも早く発生しており、直交グリッドに起因するより強い数値的摂動のためと考えられる。
• 遅い爆発によって形成された中性子星は相対的に質量が大きく（M ≳ 1.4–1.5 M⊙）、一方、質量の大きなコアでは早期爆発がブラックホール形成に繋がる可能性がある。