[논문 리뷰] Thermonuclear explosion of rotating massive stars could explain core-collapse supernovae

Doron Kushnir|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 10.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 극대질량 별성에서 느리게 회전하는 헬륨-산소 혼합 층을 지닌 회전하는 거대 별에서 시작된 열핵 폭발파가 핵붕괴 초신성(CCSNe)을 유도한다고 제안한다. 2차원 유체역학 시뮬레이션은 이러한 구성이 강력하고 에너지가 풍부한 폭발을 유도하며, 운동에너지 10⁴⁹–10⁵² 에르그 및 ⁵⁶Ni 생성량 최대 약 1 M☉를 초래함을 보여주며, 관측된 CCSNe 특성과 폭발 에너지와 ⁵⁶Ni 질량 간의 상관관계를 잘 설명한다.

ABSTRACT

It is widely thought that core-collapse supernovae (CCSNe), the explosions of massive stars following the collapse of the stars' iron cores, is obtained due to energy deposition by neutrinos. So far, this scenario was not demonstrated from first principles. Kushnir and Katz (2014) have recently shown, by using one-dimensional simulations, that if the neutrinos failed to explode the star, a thermonuclear explosion of the outer shells is possible for some (tuned) initial profiles. However, the energy released was small and negligible amounts of ejected $^{56}$Ni were obtained, implying that these one-dimensional collapse induced thermonuclear explosions (CITE) are unlikely to represent typical CCSNe. Here I provide evidence supporting a scenario in which the majority of CCSNe are the result of CITE. I use two-dimensional simulations to show that collapse of stars that include slowly (few percent of breakup) rotating $\sim0.1-10\,M_{\odot}$ shells of mixed helium-oxygen, leads to an ignition of a thermonuclear detonation wave that unbinds the stars' outer layers. Simulations of massive stars with different properties show that CITE is a robust process, and results in explosions with kinetic energies in the range of $10^{49}-10^{52}\, extrm{erg}$, and $^{56}$Ni yields of up to $\sim\,M_{\odot}$, which are correlated, in agreement with observations for the majority of CCSNe. Stronger explosions are predicted from higher mass progenitors that leave more massive remnants, in contrast to the neutrino mechanism. Neutron stars are produced in weak ($\lt10^{51}\, extrm{erg}$) explosions, while strong ($\gt10^{51}\, extrm{erg}$) explosions leave black hole remnants.

연구 동기 및 목표

• 핵붕괴 초신성가 관측된 폭발 에너지(~10⁵¹ 에르그)와 ⁵⁶Ni 질량을 달성하는 방식에 대한 오랜 문제를 해결하기 위해.
• 이전 1차원 모델이 충분한 에너지나 ⁵⁶Ni를 생성하지 못한 바, 핵붕괴 유도 열핵 폭발(CITE) 메커니즘이 일반적인 CCSNe를 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 핵붕괴 중 강력한 폭발을 유도하는 데 있어 회전과 조성(특히 헬륨-산소 혼합물)의 역할을 조사하기 위해.
• CITE 메커니즘이 CCSNe에서 관측된 운동에너지와 ⁵⁶Ni 질량 간 상관관계와 일치하는 폭발을 생성하는 조건을 규명하기 위해.
• 폭발 에너지에 따라 잔여물이 중성자별인지 블랙홀인지 예측하는 것. 이는 중성자기반 메커니즘과 대비된다.

제안 방법

• 회전하는 헬륨-산소 층을 지닌 거대 별의 붕괴와 폭발을 모의하기 위해 CASTRO 코드를 사용한 2차원, 완전 해상도를 갖춘 유체역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 초기 프로파일은 등엔트로피, 등조성, 수압평형 조건을 만족하도록 구성되었으며, 1.2 M☉의 철 핵과 밀도 약 수백 × 10³ g cm⁻³인 0.1–10 M☉의 헬륨-산소 층을 포함하였다.
• 열역학적 및 핵반응 에너지 방출의 진화를 추적하며, 열핵 폭발파의 발 ignition 및 전파를 집중적으로 분석하였다.
• 핵심 매개변수로는 헬륨-산소 층 기저에서 연소 시간과 자유낙하 시간의 비율(t_b/t_ff)이 있으며, 이 비율이 폭발파 발화 가능성을 결정한다.
• 혼합 헬륨-산소의 존재가 폭발파 발화에 필수적임을 규명하였으며, 이와 같은 혼합물이 없는 이전 연구들은 폭발을 생성하지 못하였다.
• 폭발 후 외부 물질의 운동에너지 및 ⁵⁶Ni 생성량을 계산하고, 관측 데이터(광곡선 기반)와의 상관관계를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전하는 거대 별에서 CITE가 관측된 핵붕괴 초신성의 운동에너지와 ⁵⁶Ni 생성량을 충족하는 폭발을 생성할 수 있는가?
• RQ2 혼합 헬륨-산소 층의 존재가 핵붕괴 중 폭발파 발화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 CITE 메커니즘이 층 두께, 밀도, 회전 속도 등의 초기 프로파일 매개변수 변화에 대해 강건한가?
• RQ4 CITE 메커니즘이 CCSNe에서 관측된 운동에너지와 ⁵⁶Ni 질량 간 상관관계를 자연스럽게 설명할 수 있는가?
• RQ5 폭발 에너지에 기반해 CITE 메커니즘이 초신성 잔여물이 중성자별인지 블랙홀인지 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 2차원 시뮬레이션은 느리게 회전(붕괴 속도의 수 % 수준)하는 거대 별에서 0.1–10 M☉의 헬륨-산소 층을 지닌 별이 외부 물질을 분리시키는 열핵 폭발파를 발화함을 보여주었다.
• 이에 따른 폭발의 운동에너지는 10⁴⁹–10⁵² 에르그 범위에 있으며, 핵붕괴 초신성의 관측된 에너지 분포와 일치한다.
• ⁵⁶Ni 생성량은 최대 약 1 M☉에 이르며, 운동에너지와 ⁵⁶Ni 질량 간 강한 상관관계를 보이며, 관측된 광곡선 데이터와 일치한다.
• 더 강력한 폭발(≥10⁵¹ 에르그)은 더 큰 질량의 원자별에서 유래하며 블랙홀 잔여물을 생성하는 반면, 더 약한 폭발(<10⁵¹ 에르그)은 중성자별을 남긴다.
• 혼합 헬륨-산소의 존재는 폭발파 발화에 필수적인 조건이며, 이와 같은 혼합물이 없는 이전 연구들은 폭발을 생성하지 못하였다.
• CITE 메커니즘은 다양한 초기 프로파일에 대해 강건하게 유지되며, 대부분의 핵붕괴 초신성에 대해 타당하고 일반적인 설명으로서의 가능성을 보여준다.