[論文レビュー] 3D modeling from the onset of the SN to the full-fledged SNR: Role of an initial ejecta anisotropy on matter mixing

Antonio Tutone, S. Orlando+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 71被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、3次元磁気流体力学的シミュレーションを用いて、超新星爆発後の核崩壊型超新星の噴出物に生じる後爆発的非等方性が、5,000年間にわたる物質混合および残骸の形態に与える影響を調査する。非等方性が初期段階で存在する場合、元来のオニオン構造的層構造が破壊され、酸素殻の外側で鉄/ケイ酸素の空間的反転が生じ、鉄/ケイ酸素が豊富なジェット状の特徴が残骸を突出させる。物質混合の効率は、非等方性の初期密度、速度、幾何的形状に強く依存する。

ABSTRACT

The aim of this work is to bridge the gap between CC SNe and their remnants by investigating how post-explosion anisotropies in the ejecta influence the structure and chemical properties of the remnant at later times. We performed three-dimensional magneto-hydrodynamical simulations starting soon after the SN event and following the evolution of the system in the circumstellar medium (consisting of the wind of the stellar progenitor), for 5000 years, obtaining the physical scenario of a SNR. Here we focused the analysis on the case of a progenitor red supergiant of 19.8 M_sun. We also investigated how a post-explosion large-scale anisotropy in the SN affects the ejecta distribution and the matter mixing of heavy elements in the remnant, during the first 5000 years of evolution. In the case of a spherically symmetric SN explosion without large-scale anisotropies, the remnant roughly keeps memory of the original onion-like layering of ejecta soon after the SN event. Nevertheless, as the reverse shock hits the ejecta, the element distribution departs from a homologous expansion, because of the slowing down of the outermost ejecta layers due to interaction with the reverse shock. In the case of a large-scale anisotropy developed after the SN, we found that the chemical stratification in the ejecta can be strongly modified and the original onion-like layering is not preserved. The anisotropy may cause spatial inversion of ejecta layers, for instance leading to Fe/Si-rich ejecta outside the O shell, and may determine the formation of Fe/Si-rich jet-like features that may protrude the remnant outline. The level of matter mixing and the properties of the jet-like feature are sensitive to the initial physical (density and velocity) and geometrical (size and position) initial characteristics of the anisotropy.

研究の動機と目的

• 爆発からSNR段階への全過程をモデル化することで、核崩壊型超新星の爆発とその結果生じる超新星残骸（SNR）の間のギャップを埋める。
• 爆発後の噴出物に生じる大規模な非等方性が、残骸内での化学的層構造と物質混合に与える影響を調査する。
• 非等方的噴出物が、前進シャワーを越えて突出するFe/Siが豊富なジェット状特徴を形成する条件を特定する。
• 初期非等方性パラメータ（密度対比、速度対比、サイズ、位置）が、噴出物との逆シャワー相互作用のタイミングと範囲に与える影響を評価する。
• 非等方的噴出物を用いたシミュレーションと合成スペクトルを比較することで、SNRのX線観測を解釈するためのフレームワークを提供する。

提案手法

• 19.8 M⊙の赤超巨星の前身星を対象とし、超新星爆発直後から始まり、5,000年間にわたって周囲星間物質（CSM）を通過する3次元磁気流体力学（MHD）シミュレーションを実施。
• SN段階のシミュレーションにはFLASHコードを、SNR段階のモデル化にはPLUTOコードを用い、両段階で一貫した初期条件を設定。
• 変動する初期密度対比（χₙ）、速度対比（χᵥ）、サイズ（r）、位置（D）を持つ大規模な非等方的クラスター（塊）を噴出物に導入し、その影響を調査。
• 酸素-ケイ酸素-鉄の主要核種（¹⁶O, ²⁸Si, ⁵⁶Fe）の分布と衝撃を受ける質量を追跡することで、化学的層構造、衝撃相互作用、物質混合の進化を分析。
• シミュレートされた残骸からX線スペクトルを合成し、観測と比較することで、噴出物の不均一性を診断する可能性を評価。
• 逆シャワーの伝播と非等方的噴出物との相互作用を分析し、特に²⁸Siおよび⁵⁶Feの各層との相互作用のタイミングに注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 爆発後の噴出物に非等方性が存在する場合、核崩壊型超新星の元来のオニオン構造的化学的層構造はどのように変化するか？
• RQ2 初期条件（密度、速度、サイズ、位置）がどのような場合に、非等方的噴出物が前進シャワーを越えて突出するFe/Siが豊富なジェット状特徴を形成できるか？
• RQ3 初期非等方性が、特に²⁸Siおよび⁵⁶Feの各層との逆シャワー相互作用のタイミングにどのように影響を与えるか？
• RQ4 非等方性は、球対称な場合と比較して、衝撃を受けた⁵⁶Fe質量をどの程度増加させるか？
• RQ5 これらのシミュレーションから得られる合成X線スペクトルは、ベラで観測されたSiが豊富な破片やN132Dの高速クランプを再現できるか？

主な発見

• 球対称な場合、元来のオニオン構造的層構造は初期には保持されるが、逆シャワーが外層を減速させることで、同調的拡張から逸脱する。
• 非等方的噴出物は化学的層の空間的反転を引き起こし、特にz軸に沿ってFe/Siが豊富な物質が酸素殻の外側へ押し出される。
• D=0.24のクラスターでは、速度対比χᵥ=3で前進シャワーを越えて突出するが、D=0.15の場合はχᵥ>6が必要となる。
• r=0.04の小さなクラスターは、モデルFe-R4-D750-V7（χₙ=750, χᵥ=7）でのみ前進シャワーを越えて突出する。
• クラスターの存在により、衝撃を受けた⁵⁶Fe質量は2倍に増加するが、²⁸Si質量に大きな影響を与えない。
• 速度対比（χᵥ）が高いほど逆シャワーの相互作用が早期に進行し、衝撃を受けた噴出物からのX線発光の開始が最大約100年早く始まる。