[논문 리뷰] Collapse of rotating massive stars leading to black hole formation and energetic supernovae

Sho Fujibayashi, Yuichiro Sekiguchi외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 붕괴하여 블랙홀이 되는 회전하는 거대한 별에서, 물질이 응집하는 디스크 내 점성 난방에 의해 에너지가 방출되는 초신성가 가능성을 제안한다. 이 메커니즘은 폭발 에너지를 >3×10⁵¹ erg로 이끌며, ⁵⁶Ni 질량은 ≥0.1M☉에 이르게 하여 넓은 선을 가진 Ic 초신성의 기원을 설명할 수 있다. 이 메커니즘은 중성자율 냉각이 비효율적일 때 발생하는 디스크의 외부 유동에 의해 작동하며, 특히 높은 질량 유입률을 가지는 빠르게 회전하는 원형 별에서 두드러진다.

ABSTRACT

We explore a possible scenario of the explosion as a result of core collapses of rotating massive stars that leave a black hole by performing a radiation-viscous-hydrodynamics simulation in numerical relativity. We take moderately and rapidly rotating compact pre-collapse stellar models derived in stellar evolution calculations as the initial conditions. We find that the viscous heating in the disk formed around the central black hole powers an outflow. For rapidly rotating models, the explosion energy is $\gtrsim 3 imes10^{51}$ erg, which is comparable to or larger than that of typical stripped-envelope supernovae, indicating that a fraction of such supernovae may be explosions powered by black-hole accretion disks. The explosion energy is still increasing at the end of the simulations with a rate of $>10^{50}$ erg/s, and thus, it may reach $\sim10^{52}$ erg. The nucleosynthesis calculation shows that the mass of $^{56}$Ni amounts to $\gtrsim 0.1M_\odot$, which, together with the high explosion energy, satisfies the required amount for broad-lined type Ic supernovae. The moderately rotating models predict small ejecta mass of order $0.1M_\odot$ and explosion energy of $\lesssim 10^{51}$ erg. Due to the small ejecta mass, these models may predict a short-timescale transient with the rise time 3$-$5 d. It can lead to a bright ($\sim10^{44}$ erg/s) transient like superluminous supernovae in the presence of dense massive circum-stellar medium. Irrespective of the models, the lowest value of the electron fraction of the ejecta is $\gtrsim 0.4$, and thus, the synthesis of heavy $r$-process elements is not found in our calculation.

연구 동기 및 목표

• 붕괴하여 블랙홀이 되는 빠르게 회전하는 거대한 별 주위의 응집 디스크에서 발생하는 점성 난방이 고에너지 초신성을 일으킬 수 있는지 조사하기.
• 이러한 폭발이 높은 폭발 에너지와 상당한 ⁵⁶Ni 수확량을 생성하는 조건을 규명하기.
• 이 메커니즘이 넓은 선을 가진 Ic 초신성의 원형 별 시나리오로서의 타당성을 평가하기.

제안 방법

• 빠르게 회전하는 거대한 별의 중심 붕괴를 3차원 일반 상대론적 복사-점성-유체역학 시뮬레이션으로 수행하기.
• 중간 및 빠른 회전을 가진 9M☉ 및 20M☉의 영구 주계열 별 초기 조건을 항성 진화 모델을 통해 설정하기.
• 알파-점성 모델(ν = α_vis c_s H)을 도입하여 난류 각운동량 이동과 디스크 내 점성 난방을 시뮬레이션하기.
• 중성자율 냉각 효율성을 평가하고, 점성 난방률과 비교하여 외부 유동이 발생하는 영역을 식별하기.
• 고온 영역에서의 디스크 외부 유동에서의 뉴클레오신테시스 수확량, 특히 ⁵⁶Ni 질량을 계산하기.
• 폭발 에너지 및 외부 물질 질량의 시간에 따른 변화를 모니터링하여 시뮬레이션이 관측된 초신성 에너지 수준에 도달하거나 초과하는지 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 붕괴하여 블랙홀이 되는 빠르게 회전하는 거대한 별 주위의 블랙홀 응집 디스크에서 발생하는 점성 난방이 폭발을 일으킬 수 있는가?
• RQ2 중간 회전과 빠른 회전을 가진 원형 별에서 각각의 폭발 에너지와 외부 물질 질량은 얼마인가?
• RQ3 이러한 폭발에서 유도된 ⁵⁶Ni 수확량이 넓은 선을 가진 Ic 초신성에서 추정된 값과 일치하는가?
• RQ4 외부 물질 내 전자 비율(Yₑ)이 r-과정 핵합성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시뮬레이션 시간 범위를 초월하여 폭발 에너지가 계속 증가하는가? 이는 자연계에서 더 높은 에너지를 가진 사건이 존재할 수 있음을 시사하는가?

주요 결과

• 중간 회전 20M☉ 모델의 경우 외부 물질 질량은 ≈0.1M☉이며 폭발 에너지는 ≤10⁵¹ erg이다. 이는 약 3–5일의 짧은 상승 시간을 가지며 밀도 높은 싸이클로스테라 매질에서 초광명성 잠재성을 지닌 잠재적 전천체로 간주될 수 있다.
• 높은 질량 유입률을 가지는 빠르게 회전하는 모델에서는 폭발 에너지가 >3×10⁵¹ erg에 이르며, 시뮬레이션 종료 시점까지도 증가 추세를 보이며, 약 ~10⁵² erg에 도달할 가능성이 있다.
• 빠르게 회전하는 모델의 외부 물질 내 ⁵⁶Ni 질량은 ≈0.56M☉이며, 이는 일반적으로 넓은 선을 가진 Ic 초신성에서 추정되는 0.4M☉ 수준을 충분히 충족시킨다.
• 가장 빠르게 회전하는 모델에서 외부 물질 내 전자 비율(Yₑ)은 ≥0.46이며, 이는 이러한 시뮬레이션에서 상당한 r-과정 핵합성이 일어나지 않음을 시사한다.
• 외부 유동은 중성자율 냉각이 비효율적인 디스크 표면 영역에서 주로 발생한다. 이 영역은 Yₑ가 높지만, 강한 점성 난방과 낮은 냉각 효율성으로 인해 외부 유동이 발생한다.
• 시뮬레이션 결과는 하한값을 나타내며, t = 30 s 시점에서 외부 물질 질량과 폭발 에너지가 모두 증가하고 있기 때문에, 자연계에서는 더욱 높은 에너지를 가진 사건이 존재할 가능성이 있다.