[論文レビュー] Thermonuclear explosion of rotating massive stars could explain core-collapse supernovae

Doron Kushnir|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、回転する大質量星にゆっくり回転するヘリウム酸素混合殻を持つcore-collapse超新星（CCSNe）が、核融合爆発波によって駆動されることを提案している。2次元の流体力学的シミュレーションにより、このような構成が、10⁴⁹–10⁵² ergの運動エネルギーと最大で約1 M☉の⁵⁶Ni生成量を示す安定でエネルギー豊富な爆発を引き起こすことが示された。これは観測されたCCSNeの性質と一致し、爆発エネルギーと⁵⁶Ni質量の相関関係を説明する。

ABSTRACT

It is widely thought that core-collapse supernovae (CCSNe), the explosions of massive stars following the collapse of the stars' iron cores, is obtained due to energy deposition by neutrinos. So far, this scenario was not demonstrated from first principles. Kushnir and Katz (2014) have recently shown, by using one-dimensional simulations, that if the neutrinos failed to explode the star, a thermonuclear explosion of the outer shells is possible for some (tuned) initial profiles. However, the energy released was small and negligible amounts of ejected $^{56}$Ni were obtained, implying that these one-dimensional collapse induced thermonuclear explosions (CITE) are unlikely to represent typical CCSNe. Here I provide evidence supporting a scenario in which the majority of CCSNe are the result of CITE. I use two-dimensional simulations to show that collapse of stars that include slowly (few percent of breakup) rotating $\sim0.1-10\,M_{\odot}$ shells of mixed helium-oxygen, leads to an ignition of a thermonuclear detonation wave that unbinds the stars' outer layers. Simulations of massive stars with different properties show that CITE is a robust process, and results in explosions with kinetic energies in the range of $10^{49}-10^{52}\, extrm{erg}$, and $^{56}$Ni yields of up to $\sim\,M_{\odot}$, which are correlated, in agreement with observations for the majority of CCSNe. Stronger explosions are predicted from higher mass progenitors that leave more massive remnants, in contrast to the neutrino mechanism. Neutron stars are produced in weak ($\lt10^{51}\, extrm{erg}$) explosions, while strong ($\gt10^{51}\, extrm{erg}$) explosions leave black hole remnants.

研究の動機と目的

• 観測された爆発エネルギー（約10⁵¹ erg）と⁵⁶Ni質量を達成するcore-collapse超新星のメカニズムを解明すること。
• 従来の1次元モデルが十分なエネルギーまたは⁵⁶Niを生成できなかったことから、崩壊誘発核融合爆発（CITE）が典型的なCCSNeを説明できるかどうかを検証すること。
• コア崩壊中に安定した爆発炎上を可能にする回転および組成（特にヘリウム酸素混合物）の役割を調査すること。
• CITEが観測されたCCSNeにおける運動エネルギーと⁵⁶Ni質量の相関関係を自然に説明できる条件を特定すること。
• 爆発エネルギーの関数として残骸質量（中性子星対ブラックホール）を予測し、ニュートリノ駆動メカニズムと対比すること。

提案手法

• 回転するヘリウム酸素殻を有する大質量星の崩壊と爆発をモデル化するため、CASTROコードを用いた2次元、完全に解像された流体力学的シミュレーション。
• 初期プロファイルは、定常エントロピー、組成、静水的平衡を満たし、1.2 M☉の鉄コアと密度が数×10³ g cm⁻³程度の0.1–10 M☉のヘリウム酸素殻を含む。
• 熱力学的および核反応エネルギー放出の時間発展を追跡し、核融合爆発波の着火と伝播に注目する。
• 着火の可能性を決定する重要なパラメータは、ヘリウム酸素殻の基部における燃焼時間と自由落下時間の比（t_b/t_ff）である。
• 混合ヘリウム酸素の存在が、爆発着火に不可欠であることが特定された。これまではこのような混合物がない研究では爆発が得られなかった。
• 爆発後の噴出物から爆発エネルギーと⁵⁶Ni生成量を計算し、光曲線からの観測データと相関関係を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転する大質量星にヘリウム酸素殻を有する崩壊誘発核融合爆発（CITE）は、観測されたcore-collapse超新星と一致する運動エネルギーと⁵⁶Ni生成量を持つ爆発を生じるか？
• RQ2 混合ヘリウム酸素殻の存在が、コア崩壊中に爆発炎上を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 CITEメカニズムは、殻質量、密度、回転速度などの初期プロファイルパラメータの変動に対して頑健か？
• RQ4 CITEメカニズムは、CCSNeにおける運動エネルギーと⁵⁶Ni質量の観測相関関係を自然に説明できるか？
• RQ5 CITEメカニズムは、爆発エネルギーに基づいて超新星残骸が中性子星かブラックホールかを予測できるか？

主な発見

• 2次元シミュレーションにより、数％程度の回転（破壊速度の数％）を示す大質量星に0.1–10 M☉のヘリウム酸素殻を有する系が、外層を解体する核融合爆発波を着火することが示された。
• 得られた爆発の運動エネルギーは10⁴⁹–10⁵² ergの範囲にあり、core-collapse超新星の観測エネルギー分布と一致する。
• ⁵⁶Ni生成量は最大で約1 M☉に達し、運動エネルギーと⁵⁶Ni質量の強い相関関係が示され、光曲線データと整合的である。
• より強い爆発（≥10⁵¹ erg）は、より高い質量の前身星から予測され、ブラックホール残骸を生じる。一方、弱い爆発（＜10⁵¹ erg）は中性子星を生成する。
• 混合ヘリウム酸素の存在は、爆発着火に不可欠な条件である。これまではこのような混合物がない研究では爆発が得られなかった。
• CITEメカニズムは広範な初期プロファイルの変動に対して頑健であり、多数のcore-collapse超新星を説明する有効で一般的なメカニズムであると示された。