[論文レビュー] Two-Dimensional Simulations of the Thermonuclear Runaway in an Accreted Atmosphere of a C+O White Dwarf

A. Kercek, W. Hillebrandt+1 more|ArXiv.org|Jan 7, 1998

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、1 M☉ の C+O 白色矮星の表面に付加された水素豊富な物質の核融合的爆発の2次元流体力学的シミュレーションを、PPMに基づく明示的コードを用いて実施している。その結果、対流的オーバーシュートが、核の炭素と酸素を効率的にエンベロープに混合させることはない。代わりに、解像度依存的なスケールで持続的な高渇度構造が形成され、これは従来の予想よりもはるかに長い時間スケールでやや弱い自己栄養化を引き起こすことが判明した。

ABSTRACT

We present the results of two-dimensional calculations of turbulent nuclear burning of hydrogen-rich material accreted onto a white dwarf of 1 solar mass. The main aim of the present paper is to investigate the question as to whether and how the general properties of the burning are affected by numerical resolution effects. In particular, we want to see whether or not convective overshooting into the surface layers of the C+O white dwarf can lead to self-enrichment of the initially solar composition of the hydrogen-rich envelope with carbon and oxygen from the underlying white dwarf core. Our explicit hydrodynamic code is based on the PPM-method and computes the onset of the thermonuclear runaway on a Cartesian grid. In contrast to previous works we do not observe fast mixing of carbon and oxygen from the white dwarf's surface into the envelope by violent overshooting of large eddies. The main features of the flow fields in our simulations are the appearance of small persistent coherent structures of very high vorticity (and velocity) compared to the background flow. Their typical linear scales are about 10 to 20 grid zones and thus their physical size depends on the numerical resolution, i.e, their size decreases with increasing resolution. The two simulations (low and high resolution) which are presented here show only moderate differences in spatially integrated quantities such as laterally averaged temperature, energy generation rate, and chemical composition. We have not expanded both simulations equally long, but for the physical time under consideration the major difference seems to be that the highly resolved simulation is a bit less violent. In conclusion, we do find some self-enrichment, but on time-scales much longer than in previous calculations.

研究の動機と目的

• 付加された水素豊富な物質における核融合的爆発の過程での数値的解像度の影響が、流体力学的挙動と組成の進化に与える影響を調査すること。
• 対流的オーバーシュートが、白色矮星核の炭素と酸素が付加エンベロープに顕著に混合されるかどうかを特定すること。
• 一貫した渇度構造が燃焼ダイナミクスと化学的混合に与える影響を評価すること。
• 低解像度と高解像度のシミュレーションを比較し、温度、エネルギー生成率、組成といった主要物理量に及ぼす解像度依存的効果を評価すること。

提案手法

• 本研究では、ピースワイズパラボリック法（PPM）に基づく2次元の明示的流体力学コードを用い、直交座標グリッド上で流体力学方程式を解いている。
• シミュレーションは、太陽組成の水素豊富なエンベロープを有する1 M☉ の C+O 白色矮星における核融合燃焼の発火と伝播をモデル化している。
• コードは、温度、密度、速度、核反応エネルギー生成率の進化を追跡しており、詳細な核反応ネットワークも含んでいる。
• 数値的解像度を変化させることで、流れ場における一貫した渇度構造の形成と挙動に及ぼす影響を検討している。
• 低解像度と高解像度のシミュレーションの間で、温度、エネルギー生成率、化学組成といった空間平均量を計算し、比較している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 燃焼領域からの対流的オーバーシュートが、白色矮星核の炭素と酸素が付加エンベロープに急速に混合されるか？
• RQ2 数値的解像度の効果が、一貫した渇度構造の発展とその混合への影響にどのように作用するか？
• RQ3 激しい混合が存在しない状況で、エンベロープの核元素による自己栄養化に要する時間スケールは何か？
• RQ4 エネルギー生成率や温度といった統合量が、低解像度と高解像度のシミュレーションでどのように異なって進化するか？

主な発見

• 大規模なオーバーシュート渦によって、白色矮星核の炭素と酸素がエンベロープに急速に混合される証拠は観測されなかった。
• シミュレーションでは、10〜20グリッドゾーンの大きさを有する、小さく持続的な高渇度の一貫した構造が発見された。これらは解像度依存的であり、解像度が高くなると物理的サイズが減少した。
• 解像度の違いにもかかわらず、空間平均された温度、エネルギー生成率、化学組成には低解像度と高解像度のシミュレーションの間でやや弱い差異しか示さなかった。
• 高解像度のシミュレーションではやや穏やかなダイナミクスが観測されたことから、解像度効果は存在するが、統合量においては支配的ではないことが示唆された。
• エンベロープへの炭素と酸素の自己栄養化は発生するが、以前のモデルで推定されたよりもはるかに長い時間スケールで進行することが判明した。