[논문 리뷰] Non-spherical Core Collapse Supernovae I. Neutrino-Driven Convection, Rayleigh-Taylor Instabilities, and the Formation and Propagation of Metal Clumps

K. Kifonidis, T. Plewa외 2명|CERN Bulletin|2003. 02. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 81인용 수 192

한 줄 요약

이 논문은 핵붕괴 초신성에서 2차원 유체역학 시뮬레이션을 수행하여 중성미자 구동 대류와 레이놀즈-테일러 불안정성이 충격 복귀 이후 약 수분 내에 이sovolumetric, 저엔트로피의 금속 농축 쉘을 덩어리로 분열시켜 발생시킨다고 보여준다. 이 덩어리들은 약 300초 경에 유동으로부터 탈리하여 3500–5500 km/s 속도로 구형운동을 하며, 형성된 타입 Ib 모델이 형성된 타입 II 모델보다 관측된 덩어리 속도와 더 잘 일치한다. 이는 원형성의 외피 구조와 반대 충격 효과의 차이 때문이므로, 타입 II 모델보다 타입 Ib 모델이 관측된 초신성 잔재물과 더 잘 일치한다.

ABSTRACT

Two-dimensional simulations of a Type II and a Type Ib-like supernova explosion are presented that encompass shock revival by neutrino heating, neutrino-driven convection, explosive nucleosynthesis, the growth of Rayleigh-Taylor instabilities, and the propagation of newly formed metal clumps through the exploding star. In both cases we find very high Ni56 velocities of 17000 km/s shortly after shock-revival, and a complete fragmentation of the progenitor's metal core within the first few minutes after core bounce, due to the growth of Rayleigh-Taylor instabilities at the Si/O and (C+O)/He composition interfaces. This leads to the formation of high-velocity, metal-rich clumps which eventually decouple from the flow and move ballistically through the ejecta. Maximum final metal velocities of 3500-5500 km/s and 1200 km/s are obtained for the Type Ib model and the Type II model, respectively. The low maximum metal velocities in the Type II model, which are significantly smaller than those observed in SN 1987A, are due to the massive hydrogen envelope of the progenitor. The envelope forces the supernova shock to decelerate strongly, leaving behind a reverse shock below the He/H interface, which interacts with the clumps and slows them down significantly. This reverse shock is absent in the Type Ib-like model. The latter is in fairly good agreement with observations of Type Ib supernovae. In addition, in this case the pattern of clump formation in the ejecta is correlated with the convective pattern prevailing during the shock-revival phase. This might be used to deduce observational constraints for the dynamics during this early phase of the evolution, and the role of neutrino heating in initiating the explosion.

연구 동기 및 목표

• 핵붕괴 초신성 기간 동안 중성미자 구동 대류와 레이놀즈-테일러 불안정성이 분열된 비대칭성과 금속 덩어리 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 동일한 원형성 기반에서 타입 II와 타입 Ib 유사 폭발의 유체역학적 성질과 혼합 특성을 비교하기 위해.
• 초기 다차원 유체역학적 과정이 최종 금속 덩어리 속도에 미치는 영향과 합성 스펙트럼 및 광도 곡선에 대한 함의를 규명하기 위해.
• 초신성의 금속 덩어리의 구조가 충격 복귀 기간 중 중성미자 구동 대류의 역학을 추론하는 데 사용될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 반대 충격과 원형성 외피 구조가 덩어리의 둔화와 최종 속도에 미치는 영향, 특히 관측된 초신성 잔재물과의 관련성에서의 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 15 M⊙의 파란 초거대원형성 원형성에서의 핵붕괴를 2차원 유체역학 시뮬레이션으로 수행하며, 중성미자 가열, 충격 복귀 및 뉴클레오신테시스를 포함한다.
• 물리적 일관성을 확보하기 위해 Woosley와 Bruenn가 제공한 원형성 및 붐블 후 모델에서 유도된 초기 조건을 사용한다.
• 중성미자 구동 대류에 의해 유도된 레이놀즈-테일러 불안정성이 Si/O 및 (C+O)/He 인터페이스에서 성장하는 것을 추적한다.
• 저항력과 압력 기울기를 고려하여 금속 농축 덩어리의 형성, 전파 및 둔화 과정을 시뮬레이션한다.
• 동일한 원형성에서 수소 외피를 제거하여 타입 II와 타입 Ib 유사 모델을 비교함으로써 외피 효과를 분리한다.
• 특히 유체역학적 결합에서 구형운동 탈리로의 전이에 초점을 맞춰 덩어리 속도와 혼합 패턴의 진화를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미자 구동 대류와 레이놀즈-테일러 불안정성은 핵붕괴 초신성에서 금속 농축 덩어리의 형성과 분열에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 원형성 외피 구조는 충격 복귀 이후 금속 덩어리의 최종 속도와 둔화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 유사한 초기 폭발 메커니즘을 가진 타입 II와 타입 Ib 유사 초신성가 왜 다른 최종 금속 덩어리 속도를 보이는가?
• RQ4 초신성의 외부에서 덩어리의 공간 분포가 충격 복귀 기간 중 중성미자 구동 대류의 역학을 관측적으로 제약할 수 있는가?
• RQ5 초기 반대 충격 상호작용이 금속 덩어리의 최종 속도에 얼마나 큰 영향을 미치며, 이는 합성 스펙트럼 모델링에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 충격 복귀 후 약 20초 이내에 중성미자 구동 대류에 의해 유도된 레이놀즈-테일러 불안정성에 의해, 이sovolumetric, 저엔트로피의 Fe군집 쉘에서 금속 농축 덩어리가 형성된다.
• 두 타입 II 및 타입 Ib 유사 모델 모두에서 약 300초 경에 덩어리가 유동으로부터 탈리하여 구형운동을 시작하며, 최대 속도는 약 3500–5500 km/s이다.
• 타입 II 모델에서는 약 1500초 이후에 밀도가 높은 수소 외피와 반대 충격으로 인한 강한 저항력으로 인해 속도가 크게 감소하여 붐블 후 20,000초 경에 약 1200 km/s까지 떨어진다.
• 타입 Ib 유사 모델은 타입 Ib 초신성, 예를 들어 SN 1987A와 SN 1987F에서 관측된 덩어리 속도와 더 잘 일치하며, 속도가 3500–5500 km/s로 안정적으로 유지된다.
• 타입 Ib 모델의 최종 덩어리 속도 패턴은 충격 복귀 기간 중 대류 구조와 관련이 있어, 초기 폭발 역학을 관측적으로 진단할 수 있는 잠재적 도구가 될 수 있다.
• 반대 충격으로 인한 덩어리 둔화는 관측된 속도와 모델링된 속도 간의 괴리를 설명하는 데 핵심적인 요소이며, 특히 타입 II 사건에서 중요하며 스펙트럼 모델링에 고려되어야 한다.