[論文レビュー] Three-Dimensional Simulations of Classical Novae

A. Kercek, W. Hillebrandt+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 1998

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、1 M⊙ の C+O 白色矮星における乱流的水素燃焼を、直交座標格子上に配置された3次元Euler形式の数値コードと核反応ネットワークを用いて、古典的新星の噴出を初めて3次元流体ダイナミクスでシミュレートした。主な発見は、噴出期中に降着した包層が炭素と酸素で自己強化されるプロセスが、5倍太陽金属量でさえも、速い新星を生成するのに遅すぎるということであり、速い新星形成には噴出前の強化機構が不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

We present first results of three-dimensional (3D-) calculations of turbulent and degenerate hydrogen-burning on top of a C+O white dwarf of one solar mass. The simulations are carried out by means of a code which solves Euler's equation for an arbitrary equation of state together with a nuclear reaction network and the energy input from nuclear reactions on a Cartesian grid covering a fraction of the white dwarf's surface and accreted atmosphere. The flow patterns we obtain are very different from those of earlier 2D simulations using the same initial conditions and the same numerical resolution. The possibility of self-enrichment of the accreted hydrogen-rich atmosphere with carbon and oxygen from the surface layers of the white dwarf during the violent phase of the burning is investigated, and it is demonstrated that self-enrichment proceeds too slowly if the accreted gas has near-solar CNO-abundances at the onset of the thermonuclear runaway. As a result, we do not find a fast nova outburst. This conclusion remains valid if the initial metallicity of the accreted gas is raised by a factor of five. Therefore we conclude that fast nova outbursts indeed require huge enrichments of C and O, as postulated from spherically symmetric models, and that the mechanism which leads to such enhancements must operate prior to the outburst.

研究の動機と目的

• 古典的新星噴出における3次元流体ダイナミクスの役割、特に熱核反動期における乱流対流および混合の力学的挙動を調査すること。
• 白色矮星表面からの炭素および酸素が降着した水素豊富な包層に自己強化され、それが速い新星噴出を駆動できるかを検証すること。
• 3次元の結果を従来の2次元シミュレーションと比較し、次元性の違いが混合、エネルギー生成、および噴出ダイナミクスに与える影響を評価すること。
• 初期金属量の増加（最大5倍太陽金属量）が、燃焼プロセスを十分に加速して速い新星の特徴を生じさせるかを評価すること。
• 3次元シミュレーションにおける数値拡散または解像度の不足による小スケール運動が、2次元と比較して混合をより強く抑制するかどうかを評価し、爆発的噴出の可能性に与える影響を検討すること。

提案手法

• 数値的シミュレーションは、白色矮星表面および大気の一部をカバーする3次元直交格子上に配置されたPROMETHEUSコードを用いて実施した。このコードはPPM型流体ダイナミクス法であり、Euler方程式を陰解法で積分する。
• 流体ダイナミクス方程式と12種類の核種からなる反応ネットワーク（1H, 4He, 12C, 13C, 13N, 14N, 15N, 14O, 15O, 16O, 17O, 17F）を連立して解き、反応速度はWallace & Woosley (1981)およびThielemann（非公式通信）の値を用いた。
• エネルギー生成は核反応ネットワーク方程式と同時に解き、数値的不安定性を回避するため、一貫性のある状態方程式と陰的時間積分法を用いた。
• 初期条件は、降着と噴出前の進化を記述する1次元陰的流体ダイナミクスモデル（Glasner et al. 1997）から得られ、1.0 M⊙ の C+O 白色矮星と、Z=0.02（一部の計算では5倍太陽金属量）の降着包層（2×10⁻⁵ M⊙）を想定した。
• 3次元格子は1次元モデルからの静水的構造で初期化され、数回の動的時標識にわたり緩和され、その後対流と燃焼を開始するための摂動が加えられた。
• 物理的反射を避けるために周期的境界条件を適用し、安定性と積分量の収束を確保するため、中程度の解像度（例：220×100グリッドポイント）でシミュレーションを実行した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的新星噴出期における3次元流体の流れは、2次元シミュレーションとどのように異なるか。特に渦度構造と混合効率の観点で検討すること。
• RQ2 白色矮星表面からの炭素および酸素が、降着した水素豊富な包層に自己強化され、熱核反動期中に速い新星を引き起こすのに十分な速さで進行するか。
• RQ3 初期金属量の増加（最大5倍太陽金属量）が、燃焼プロセスを顕著に加速させ、速い新星噴出を引き起こすか。
• RQ4 3次元シミュレーションでは、2次元モデルと比較して、CおよびOの対流的オーバーシュートおよびドリュージャー・アップがどれほど抑制されるか。その影響がエネルギー放出および噴出ダイナミクスに与える影響は。
• RQ5 3次元シミュレーションにおける数値拡散が、混合を十分に駆動できるか。それとも、新星噴出における混合を正確に捉えるには、明示的な小スケール乱流モデルの導入が必要か。

主な発見

• 3次元シミュレーションでは、2次元シミュレーションとは著しく異なる流れのパターンが得られ、小スケール乱流運動のエネルギーが強く、対応する対流的オーバーシュートが減少し、CおよびOの燃焼層への混合が抑制された。
• 噴出期中に降着大気中のCおよびOの自己強化は、5倍太陽金属量であっても遅すぎて、速い新星を引き起こせない。これは、温度上昇の時標識が依然として長く（約100秒程度）続くためである。
• 高金属量の計算では、150秒後に最大速度が約2×10⁷ cm/sに達するが、これは低金属量ケースの約2倍であるが、エネルギー生成率および最終的大気金属量はわずかに上昇するにとどまる。
• 高金属量ケースでは、400秒時点で低金属量ケースと区別がつかない燃焼状態に達しており、初期金属量の増加が根本的な時標識の問題を克服できないことが示された。
• 3次元シミュレーションでは、混合が減少するため、爆発的水素燃焼が弱まり、2次元と比較して噴出がやや穏やかになる。その結果、自己強化による速い新星の生成はより困難になる。
• これらの結果は、自己強化が速い新星形成の有効なメカニズムではないことを示しており、大規模なCおよびOの強化は噴出の前段階で既に発生している必要がある。そのような強化は、おそらく降着段階におけるせん断不安定性や長期的混合によって引き起こされるものと考えられる。