[논문 리뷰] Do electron-capture supernovae make neutron stars? First multidimensional hydrodynamic simulations of the oxygen deflagration

Samuel Jones, F. K. Roepke외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 18.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 72인용 수 56

한 줄 요약

이 연구는 산소-중성자핵에서의 산소 폭발을 다차원 유체역학 시뮬레이션으로 처음으로 수행하며, 레벨셋-flame 모델을 사용하여 전자 포획 초신성과 질량 축적에 의한 붕괴가 중성자성성을 유도하는지 조사한다. 결과적으로 중간 및 저밀도 Ignition 밀도에서 핵은 거의 태양질량에 해당하는 질량이 탈구되며, 찬드라세카르 질량 이하의 안정된 잔여핵을 남긴다; 오직 가장 높은 Ignition 밀도 조건(log₁₀ρ_c = 10.3)에서만 중성자성성으로의 붕괴가 발생한다.

ABSTRACT

In the classical picture, electron-capture supernovae and the accretion-induced collapse of oxygen-neon white dwarfs (ONeWDs) undergo an oxygen deflagration phase before gravitational collapse produces a neutron star (NS). These types of core collapse events are postulated to explain several astronomical phenomena. In this work, the deflagration phase is simulated for the first time using multidimensional hydrodynamics, with the aim of gaining new insight into the explosive deaths of $8-10~M_\odot$ stars and ONeWDs that accrete material from a binary companion star. The main aim is to determine whether these events are thermonuclear or core-collapse supernova explosions, and hence whether NSs are formed by such phenomena. The deflagration is simulated in ONe cores with three different central ignition densities. The intermediate density case is perhaps the most realistic, being based on recent nuclear physics calculations and 1D stellar models. The 3D hydrodynamic simulations presented in this work begin from a centrally confined flame structure using a level-set-based flame approach and are performed in $256^3$ and $512^3$ numerical resolutions. In the simulations with intermediate and low ignition density, the cores do not appear to collapse into NSs. Instead, almost a solar mass of material becomes unbound from the cores, leaving bound remnants. These simulations represent the case in which semiconvective mixing during the electron-capture phase preceding the deflagration is inefficient. The masses of the bound remnants double when Coulomb corrections are included in the EoS, however they still do not exceed the effective Chandrasekhar mass and, hence, would not collapse into NSs. The simulations with the highest ignition density ($\log_{10}ρ_{ m c}=10.3$), representing the case where semiconvective mixing is very efficient, show clear signs that the core will collapse into a NS.

연구 동기 및 목표

• 전자 포획 초신성과 ONe 백색왜성의 질량 축적에 의한 붕괴가 중성자성을 유도하는지 여부를 규명하기 위해.
• 다차원 유체역학과 난류flame 전파의 역할이 산소 폭발 기반 폭발에서 어떻게 작용하는지 조사하기 위해.
• 중심 Ignition 밀도, 반대류 혼합 효율성, 상태방정식 보정이 핵 잔여질량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 폭발 단계가 핵 붕괴를 유도하는지 아니면 폭발적 탈구를 유도하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이션은 유체역학적 3차원 모델에서 레벨셋 기반의flame 접근법을 사용하여,flame 전면를 직접 해상하지 않고 난류폭발을 모델링한다.
• 세 가지 중심 Ignition 밀도를 사용한다: 저밀도(log₁₀ρ_c = 10.0), 중간밀도(log₁₀ρ_c = 10.15), 고밀도(log₁₀ρ_c = 10.3); 중간밀도 조건은 1차원 별 모델과 핵물리학에 기반한다.
• 수치 해상도를 256³ 및 512³ 격점에서 테스트하여 수렴성과 수치적 안정성을 평가한다.
• 상태방정식에는 Coulomb 보정을 포함하여 잔여질량과 안정성에 미치는 영향을 평가한다.
• 수류불안정성, 특히 레이일레이-테일러 불안정성을 유도하기 위해 흐트러짐을 도입하여 비대칭성에 대한 민감도를 시험한다.
• 전자 비율(Yₑ)과 에너지 방출을 추적하여 핵반응 진행 상황과 폭발 에너지학을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비가역적 ONe 핵에서의 산소 폭발이 핵 붕괴와 중성자성성 형성으로 이어지는가, 아니면 열핵폭발로 이어지는가?
• RQ2 중심 Ignition 밀도가 결과에 미치는 영향은 무엇인가—폭발적 탈구 또는 중력붕괴인가?
• RQ3 반대류 혼합 효율성과 상태방정식 보정이 최종 잔여핵 질량에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 다차원 유체역학이 1차원 모델에서 관측된flame 비대칭성과 난류연소를 재현할 수 있는가?
• RQ5 초기flame 기하학과 흐트러짐이 폭발 역학과 핵합성에 미치는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 중간 및 저밀도 Ignition 밀도 조건(log₁₀ρ_c = 10.15 및 10.0)에서 핵은 폭발적 연소를 겪으며, 거의 태양질량에 해당하는 물질이 탈구되고 찬드라세카르 질량 이하의 결속 잔여핵을 남긴다.
• Coulomb 보정을 포함하더라도 중간 및 저밀도 조건에서의 결속 잔여핵 질량은 유효 찬드라세카르 질량을 초과하지 않아 중성자성성 형성이 방지된다.
• 오직 가장 높은 Ignition 밀도 조건(log₁₀ρ_c = 10.3)에서, 매우 효율적인 반대류 혼합에 의해 핵이 명백한 중력붕괴를 겪으며 중성자성성으로 전환된다.
• 레이일레이-테일러 불안정성이 심각한 비대칭성을flame 전면에 유도하며, 이는 난류영역이 아닌 레이저 상태에서도 발생하여 3차원 유체역학이 정확한 모델링을 위해 필수적임을 시사한다.
• 중간밀도 조건에서 난류연소 속도는 약 460ms 이후에야 난류속도를 초과하며, 이는 난류가 연소를 강화하지만 붕괴를 유도하지는 않음을 시사한다.
• 시뮬레이션은 1차원 모델이 비가시적인 비대칭성과 유체역학적 불안정성을 해결할 수 없어 전반적인 결과를 예측하는 데 부적절하다는 것을 입증한다.