[논문 리뷰] Nucleosynthesis-relevant conditions in neutrino-driven supernova outflows. I. Spherically symmetric hydrodynamic simulations

Almudena Arcones, Hans‐Thomas Janka외 1명|ArXiv.org|2006. 12. 20.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 42인용 수 108

한 줄 요약

이 연구는 구상 대칭 유체역학 시뮬레이션을 사용하여 중성미자 구동 초신성 외류에서의 핵합성 조건을 조사한다. 충격파가 초음속 외류와 느린 폭발 물질 간의 충돌로 형성되면서 엔트로피가 크게 증가하며, 저질량 원형성에서 1인자당 400 $k_{\mathrm{B}}$를 초과하는 엔트로피가 발생한다. 이는 강력한 r-과정 핵합성을 가능하게 하며, 조건은 원형성 질량과 폭발 역학에 매우 민감하게 의존한다.

ABSTRACT

We investigate the behavior and consequences of the reverse shock that terminates the supersonic expansion of the baryonic wind which is driven by neutrino heating off the surface of (non-magnetized) new-born neutron stars in supernova cores. To this end we perform long-time hydrodynamic simulations in spherical symmetry. In agreement with previous relativistic wind studies, we find that the neutrino-driven outflow accelerates to supersonic velocities and in case of a compact, about 1.4 solar mass (gravitational mass) neutron star with a radius of about 10 km, the wind reaches entropies of about 100 k_B per nucleon. The wind, however, is strongly influenced by the environment of the supernova core. It is decelerated and shock-heated abruptly by a termination shock that forms when the supersonic outflow collides with the slower preceding supernova ejecta. The radial position of this reverse shock varies with time and depends on the strength of the neutrino wind and the different conditions in progenitor stars with different masses and structure. Its basic properties and behavior can be understood by simple analytic considerations. We demonstrate that the entropy of matter going through the reverse shock can increase to a multiple of the asymptotic wind value. Seconds after the onset of the explosion it therefore can exceed 400 k_B per nucleon. The temperature of the shocked wind has typically dropped to about or less than 10^9 K, and density and temperature in the shock-decelerated matter continue to decrease only very slowly. Such conditions might strongly affect the important phases of supernova nucleosynthesis in a time and progenitor dependent way. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 역충격파가 초신성 외류의 중성미자 구동 외류 조건에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 원형성 질량과 폭발 역학이 충격을 입은 외류 물질의 엔트로피, 온도, 밀도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 천체물리적 조건 하에서 중성미자 구동 외류의 r-과정 핵합성 잠재력 평가하기 위해.
• 역충격파가 충분히 높은 엔트로피와 낮은 $Y_\mathrm{e}$ 조건을 만들어내어 강력한 r-과정 핵합성을 가능하게 하는지 결정하기 위해.
• 종료 충격파의 시간 및 원형성에 따라 의존적인 역할이 핵합성 수확량을 어떻게 형성하는지 탐구하기 위해.

제안 방법

• 형성된 중성자별에서 중성미자 구동 외류의 장기적이고 구상 대칭 유체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 초음속 외류가 느린 초신성 폭발 물질과 충돌할 때 형성되는 역충격파의 형성과 진화를 모델링한다.
• 종료 충격파의 거동과 특성을 해석하기 위해 분석적 고려를 사용한다.
• 원시 중성자별 특성(질량 ~1.4 $M_\odot$, 반지름 ~10 km)을 기반으로 현실적인 중성미자 가열과 외류 역학을 통합한다.
• 충격을 입은 외류 물질 내에서 엔트로피, 온도, 밀도, 전자 비율($Y_\mathrm{e}$)의 시간에 따른 변화를 추적한다.
• 다른 질량의 원형성에 대해 결과를 비교하여 외류 조건의 원형성 의존성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역충격파는 중성미자 구동 초신성 외류의 엔트로피와 열역학적 조건에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 역충격파의 위치와 강도는 원형성 질량과 폭발 역학에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 충격을 입은 외류가 r-과정 핵합성을 위한 충분한 엔트로피 수준에 도달할 수 있는가, 특히 1인자당 400 $k_{\mathrm{B}}$ 이상인가?
• RQ4 충격파 통과 후 충격을 입은 외류의 온도와 밀도는 시간에 따라 어떻게 변화하는가, 핵합성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 원형성 구조와 폭발 시간 스케일이 외류의 핵합성 잠재력에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 저질량 원형성(~10 $M_\odot$)에서 폭발 후 수초 내로 역충격파가 외류 물질의 엔트로피를 1인자당 400 $k_{\mathrm{B}}$ 이상으로 증가시킨다.
• 저질량 원형성에서는 역충격파가 빨리 형성되고 외부로 빠르게 확장되어 r-과정 핵합성을 유리하게 하는 고엔트로피 조건을 만든다.
• 더 높은 밀도의 핵을 가진 고질량 원형성에서는 역충격파가 더 작은 반경에서 유지되며, 더 높은 온도와 밀도에서 외류에 영향을 미쳐 다른 조건 하에서 핵합성을 가능하게 할 수 있다.
• 충격을 입은 외류의 온도는 약 $10^9$ K 이하로 떨어지며, 충격파 통과 후 밀도와 온도가 매우 느리게 감소한다.
• 역충격파의 특성과 외류에 미치는 영향은 시간과 원형성에 따라 크게 달라지며, 이는 다양한 초신성에서 핵합성 수확량이 다양할 수 있음을 시사한다.
• 구상 대칭 외류 모델은 외류의 후기 안정 단계를 더 잘 반영할 수 있으며, 이는 난류적인 초기 단계보다 r-과정 조건이 더 강력할 수 있음을 시사한다.