[論文レビュー] Two- and Three-Dimensional Multi-Physics Simulations of Core Collapse Supernovae: A Brief Status Report and Summary of Results from the "Oak Ridge" Group

Anthony Mezzacappa, Stephen W. Bruenn+9 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

この論文はオークリッジ研究グループによる、一般相対性理論的重力、相対論的補正を施したスペクトル的ニュートリノ輸送、および完全な弱い相互作用を含む2次元および3次元のコア収縮超新星のマルチフィジックスシミュレーションを提示し、ニュートリノ駆動型爆発が安定して達成されることを示している。主な結果として、観測と整合する爆発エネルギーおよび中性子星質量が得られ、進行中の3次元モデルは爆発メカニズムの解明に継続的に有望であることが示唆される。

ABSTRACT

We summarize the results of core collapse supernova theory from one-, two-, and three-dimensional models and provide a snapshot of the field at this time. We also present results from the "Oak Ridge" group in this context. Studies in both one and two spatial dimensions define the necessary} physics that must be included in core collapse supernova models: a general relativistic treatment of gravity (at least an approximate one), spectral neutrino transport, including relativistic effects such as gravitational redshift, and a complete set of neutrino weak interactions that includes state-of-the-art electron capture on nuclei and energy-exchanging scattering on electrons and nucleons. Whether or not the necessarily approximate treatment of this physics in current models that include it is sufficient remains to be determined in the context of future models that remove the approximations. We summarize the results of the Oak Ridge group's two-dimensional supernova models. In particular, we demonstrate that robust neutrino-driven explosions can be obtained. We also demonstrate that our predictions of the explosion energies and remnant neutron star masses are in agreement with observations, although a much larger number of models must be developed before more confident conclusions can be made. We provide preliminary results from our ongoing three dimensional model with the same physics. Finally, we speculate on future outcomes and directions.

研究の動機と目的

• ニュートリノ駆動型爆発が、現実的な物理を含む多次元シミュレーションで安定して達成可能かどうかを調査すること。
• 一般相対性理論的重力、スペクトル的ニュートリノ輸送、完全な弱い相互作用を超新星モデルに組み込む必要性とその影響を評価すること。
• 2次元モデルの予測能力と、3次元シミュレーションがコア収縮超新星爆発メカニズムの解明に果たす可能性を評価すること。
• 現在のマルチフィジックスモデルにおける近似（例：レイごとのニュートリノ輸送）が十分かどうか、あるいは爆発失敗の原因が欠落した物理的要因にあるかどうかを特定すること。
• 3次元ダイナミクスとエネルギー移動におけるニュートリノ駆動型対流と定在降着波面不安定性（SASI）の役割を調査すること。

提案手法

• 一般相対性理論的重力と重力赤方偏移およびドップラー効果を含むスペクトル的ニュートリノ輸送を用いたCHIMERAコードを用いてマルチフィジックスシミュレーションを実施。
• 電子捕獲、電子および核子への散乱、現代の核物理学の入力を用いた核子-核子ブレムストラールャー相互作用を含む完全なニュートリノ弱い相互作用を組み込む。
• 軸対称（2次元）および完全3次元シミュレーションを用いて、対称性を強制しない状況下でのニュートリノ駆動型爆発の安定性を検証。
• レイごとの（RbR）近似を用いたニュートリノ輸送を適用し、加熱における方位変動を捉える際の限界を分析。
• ニュートン的重力対一般相対性理論的重力、簡略化された弱い相互作用集合対完全な弱い相互作用集合といった、物理的リアリズムの異なるモデルを比較し、主要な物理的駆動要因を特定。
• 高解像度3次元シミュレーションを可能にするために、DOEのINCITEおよびXRACプログラムを通じてJaguar、Titan、Hopper、Krakenなどのハイパフォーマンスコンピューティングリソースを活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なマルチフィジックス入力を持つ2次元および3次元シミュレーションで、安定したニュートリノ駆動型爆発が達成可能か？
• RQ2 一般相対性理論的効果（例：重力赤方偏移、曲率）が衝撃波の進化と爆発の可能性にどのように影響するか？
• RQ3 ニュートリノ輸送（例：RbR）や弱い相互作用の取り扱いにおける近似が、超新星シミュレーションの結果にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 3次元モデルにおける爆発エネルギーに、ニュートリノ駆動型対流とSASIの相対的寄与はどの程度か？
• RQ5 遅い段階の星の進化から得られる3次元の前身星構造が、3次元シミュレーションにおける成功した爆発の開始に重要であるか？

主な発見

• 一般相対性理論と完全な弱い相互作用を含むフルマルチフィジックス入力により、2次元シミュレーションで安定したニュートリノ駆動型爆発が達成された。
• オークリッジの2次元モデルが予測する爆発エネルギーと中性子星質量は、観測的制約と良好に一致しており、モデルの信頼性を示唆している。
• 一般相対性理論的重力を省いたり、重要な弱い相互作用を省いた場合、t > 120 ms において衝撃波の軌道が60 km以上異なるため、フル物理の必要性が強調される。
• 簡略化モデル間での衝撃波半径のばらつきは平均値の33%以上に達し、物理的近似が結果に顕著に影響することを示している。
• 同じ物理を用いた初期の3次元シミュレーションは有望であるが、SASIや乱流に及ぼす3次元ダイナミクスの全般的な影響はまだ完全に評価されていない。
• カシオペアAにおける44Tiの観測的制約は、急速回転する前身星から生じる高に非対称で双極的な爆発を否定しており、3次元におけるニュートリノ駆動メカニズムの必要性を支持している。