[논문 리뷰] Explaining the most luminous supernovae with an inefficient jet-feedback mechanism

Avishai Gilkis, Noam Soker외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 04.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 21인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 핵붕괴 초거대초신성(SLSNe)의 극도로 밝은 광도가 새로 태어난 중성자별로의 지속적인 물질 붕괴에서 기인하며, 이는 비효율적인 제트-후속 메커니즘에 의해 주도된다고 제안한다. 자전축을 따라 방출된 제트는 등반면 물질을 탈구하지 못하고, 그로 인해 물질이 다시 낙하하여 물질 붕괴를 지속시켜 수일에서 수주에 걸쳐 높은 광도를 발생시킨다.

ABSTRACT

We suggest that the energetic radiation from core-collapse super-luminous supernovae (SLSNe) is due to a long lasting accretion process onto the newly born neutron star (NS), resulting from an inefficient operation of the jet-feedback mechanism. The jets that are launched by the accreting NS or black hole (BH) maintain their axis due to a rapidly rotating pre-collapse core, and do not manage to eject core material from near the equatorial plane. The jets are able to eject material from the core along the polar directions, and reduce the gravity near the equatorial plane. The equatorial gas expands, and part of it falls back over a timescale of minutes to days to prolong the jets-launching episode. According to the model for SLSNe proposed in the present paper, the principal parameter that distinguishes between the different cases of CCSN explosions, such as between normal CCSNe and SLSNe, is the efficiency of the jet-feedback mechanism. This efficiency in turn depends on the pre-collapse core mass, envelope mass, core convection, and most of all on the angular momentum profile in the core. One prediction of the inefficient jet-feedback mechanism for SLSNe is the formation of a slow equatorial outflow in the explosion. Typical velocity and mass of this outflow are approximately 1000 km/s and greater than about 1 solar mass, respectively.

연구 동기 및 목표

• 표준 모델을 초월하여 核붕괴 초거대초신성(SLSNe)의 극도로 밝은 광도를 설명하기 위해.
• 일반 핵붕괴 초신성과 비교해 SLSNe에서 지속적인 에너지 방출을 일으키는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 각운동량과 핵의 구조가 제트 후속 효율성과 폭발 결과에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• SLSNe에서 낙하 기반 물질 붕괴 과정의 관측 가능한 서명을 예측하기 위해.

제안 방법

• 다른 각속도를 가진 핵 내에서 새로 태어난 중성자별 또는 블랙홀에서 제트를 방출하는 과정을 모델링하기 위해.
• 상대론적 제트가 붕괴 전 핵과 상호작용하는 것을 시뮬레이션하며, 축대칭 기하학과 동량 전달에 중점을 두기 위해.
• 핵 질량, 대기권 질량, 대류, 각운동량 프로파일에 기반해 제트 후속 효율성을 평가하기 위해.
• 제트에 의해 압력과 동량이 부여되어 중력이 감소한 등반면 물질의 낙하 시간스케일을 계산하기 위해.
• 분석된 물질 붕괴로 인해 수분에서 수일에 걸쳐 지속되는 물질 붕괴율과 광도를 추정하기 위해.
• 낙하 물질에서 형성된 느린 등반면 기체류의 특성을 예측하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SLSNe에서 지속적인 물질 붕괴와 지속적인 밝기를 유도하는 데 어떤 메커니즘이 작용하는가?
• RQ2 제트 후속 효율성이 일반 핵붕괴 초신성과 SLSNe를 구분하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 붕괴 전 핵의 각운동량 프로파일이 제트의 봉인과 낙하에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 SLSNe에서 낙하 과정으로부터 기대되는 관측 가능한 서명(예: 기체류)은 무엇인가?
• RQ5 핵 질량, 대기권 질량, 대류가 제트-후속 효율성과 폭발 결과에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비효율적인 제트-후속 메커니즘이 새로 태어난 중성자별로의 지속적인 물질 붕괴를 통해 SLSNe의 광도를 설명한다.
• 제트는 등반면 물질을 탈구하지 못하고, 수분에서 수일의 시간스케일로 낙하하여 물질 붕괴를 지속시킨다.
• 제트 후속 효율성은 붕괴 전 핵의 각운동량 프로파일, 핵 질량, 대기권 질량에 의해 결정되며 매우 중요하다.
• 약 1000 km/s의 평균 속도와 1 태양질량 이상의 질량을 가진 느린 등반면 기체류가 형성된다.
• 이 모델은 SLSNe가 낙하를 초래하는 특정한 핵 구조와 각운동량 조합에 기인함을 예측한다.
• 이 메커니즘은 후속 효율성에 기반해 SLSNe와 일반 핵붕괴 초신성 간의 자연스러운 구분을 제공한다.