[논문 리뷰] Multidimensional Supernova Simulations with Approximative Neutrino Transport I. Neutron Star Kicks and the Anisotropy of Neutrino-Driven Explosions in Two Spatial Dimensions

Leonhard Scheck, K. Kifonidis외 2명|ArXiv.org|2006. 01. 13.

Neutrino Physics Research참고 문헌 90인용 수 169

한 줄 요약

이 연구는 근사적 중성자율 수송을 사용하는 2D 유체역학 시뮬레이션을 통해 핵붕괴 초신성에서 중성자별의 추진력 기원을 조사한다. 유체역학적 불안정성—특히 $l=1$ (이중극) 모드—이 비대칭 질량 방출을 일으켜 운동량 보존에 의해 중성자별의 가속도가 1000 km/s를 초과할 수 있음을 보여준다. 주요 결과는 중성자별 속도의 이중성 분포로, $l=1$ 모드가 방출물질에서 지배적일 경우 고속 및 저속 그룹이 구분됨을 보여준다.

ABSTRACT

By means of two-dimensional (2D) simulations we study hydrodynamic instabilities during the first seconds of neutrino-driven supernova explosions, using a PPM hydrodynamics code, supplemented with a gray, non-equilibrium approximation of radial neutrino transport. We consider three 15 solar mass progenitors with different structures and one rotating model, in which we replace the dense core of the newly formed neutron star (NS) by a contracting inner grid boundary, and trigger neutrino-driven explosions by systematically varying the neutrino fluxes emitted at this boundary. Confirming more idealized studies as well as supernova simulations with spectral transport, we find that random seed perturbations can grow by hydrodynamic instabilities to a globally asymmetric mass distribution, leading to a dominance of dipole (l=1) and quadrupole (l=2) modes in the explosion ejecta. Anisotropic gravitational and hydrodynamic forces are found to accelerate the NS on a timescale of 2-3 seconds. Since the explosion anisotropies develop chaotically, the magnitude of the corresponding kick varies stochastically in response to small differences in the fluid flow. Our more than 70 models separate into two groups, one with high and the other with low NS velocities and accelerations after 1s of post-bounce evolution, depending on whether the l=1 mode is dominant in the ejecta or not. This leads to a bimodality of the distribution when the NS velocities are extrapolated to their terminal values. The fast group has an average velocity of about 500 km/s and peak values in excess of 1000 km/s. Establishing a link to the measured distribution of pulsar velocities, however, requires a much larger set of calculations and ultimately 3D modeling. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 다차원 유체역학적 시뮬레이션을 사용하여 핵붕괴 초신성에서 중성자별 추진력 기원을 조사하기.
• 유체역학적 불안정성이 관측된 펄서 속도를 생성할 만큼 충분한 질량 방출 비대칭성을 유도할 수 있는지 확인하기.
• 폭발 이질성과 중성자별 반동을 이끄는 데 기여하는 저모드 불안정성($l=1$, $l=2$)의 역할 탐색하기.
• 원형성 모델 및 시뮬레이션 파rameter의 변화에 대해 예측된 이중성 속도 분포의 탄력성 평가하기.
• 중성자별 추진력이 비대칭 질량 방출에 의한 운동량 보존 때문이며, 비대칭 중성자율 방출 때문이 아니라는 가설 검증하기.

제안 방법

• 근사적 중성자율 수송을 포함한 2D 축대칭 유체역학적 시뮬레이션을 통해 핵붕괴 초신성 수행하기.
• 수축하는 중성자별을 모의하고 폭발을 유도하는 강력한 중성자율 난방을 가능하게 하는 경계 조건 설정하기.
• 생성된 중성자별과 응축파면 사이의 후방 충격 영역에서 유체역학적 불안정성을 유도하기 위해 무작위 시드 편향 적용하기.
• 폭발 이질성을 정량화하기 위해 방출물질 내 구면 조화 모드($l=1$, $l=2$)의 성장 추적하기.
• 비대칭 질량 분포에 기인한 중성자별의 가속도를 중력 및 유체역학적 힘으로 계산하기.
• 0.5–1초 동안의 평균 가속도를 가정하고, 1초 후의 후퇴 속도를 종단 속도로 외삽하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 시뮬레이션에서 유체역학적 불안정성이 1000 km/s를 초과하는 중성자별 추진력을 설명할 수 있을 정도의 폭발 이질성을 생성할 수 있는가?
• RQ2 방출물질에서 $l=1$ 모드가 지배적일 경우 중성자별 속도의 이중성 분포가 나타나는가?
• RQ3 불안정성 성장 시간 상대 폭발 시작 시점이 추진력 크기 및 방향성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 모의 모델에서 원형성 구조나 폭발 에너지에 따라 중성자별 속도에 체계적 의존성이 존재하는가?
• RQ5 관측된 이중성 펄서 속도 분포는 비대칭 중성자율 방출이 아닌 유체역학적 비대칭성에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 무작위 시드 편향에서 기인한 유체역학적 불안정성이 전역적으로 비대칭 질량 분포를 생성하며, 방출물질에서 주로 $l=1$ 및 $l=2$ 모드가 지배한다.
• 운동량 보존에 의해 비대칭 질량 방출로 인해 1000 km/s를 초과하는 중성자별 가속도가 수초간 지속된다.
• 최소 약 300 km/s에서 분리되는 고속(최대 1300 km/s) 및 저속 그룹으로 구성된 이중성 속도 분포가 생성된다.
• 이중성은 주로 $l=1$ 모드가 방출물질에서 지배적인지 여부에 의해 결정되며, $l=1$ 모드 지배 모델은 고속 중성자별을 생성한다.
• 70개의 모델 전반에서 중성자별 속도와 폭발 에너지 또는 원형성 구조 간에 체계적 상관관계를 발견하지 못했다.
• 불안정성의 혼돈적 성장으로 인해 추진력 크기는 확률적으로 변동하며, 초기 중성자별 수축 속도가 빠를수록 저모드 불안정성 성장이 증가하여 추진력 크기가 증가한다.