[论文解读] Deep Core Convection and Dynamo in Newly-born Neutron Star

Youhei Masada, Tomoya Takiwaki+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用来自大质量恒星坍缩的中微子辐射-流体动力学模拟所获得的现实核方程态和初始条件，模拟了新生原中子星中深层核心对流与发电机作用。尽管自转适中（自转周期170毫秒），由于旋转受限对流中的湍流电动势，仍自发产生约10¹⁵ G的大型尺度、偶极对称磁场，表明深层核心对流在中子星磁场生成及超新星动力学中可能起关键作用。

ABSTRACT

We report results from a convection dynamo simulation of proto-neutron star (PNS), with a nuclear equation of state (EOS) and the initial hydrodynamic profile taken from a neutrino radiation-hydrodynamics simulation of a massive stellar core-collapse. A moderately-rotating PNS with the spin period of $170$ ms in the lepton-driven convection stage is focused. We find that large-scale flow and thermodynamic fields with north-south asymmetry develop in the turbulent flow, as a consequence of the convection in the central part of the PNS, which we call as a deep core convection. Intriguingly, even with such a moderate rotation, large-scale, $10^{15}$ G, magnetic field with dipole symmetry is spontaneously built up in the PNS. The turbulent electro-motive force arising from rotationally-constrained core convection is shown to play a key role in the large-scale dynamo. The large-scale structures organized in the PNS may impact the explosion dynamics of supernovae and subsequent evolution to the neutron stars.

研究动机与目标

• 研究深层核心对流在新生原中子星中生成大尺度磁场的作用。
• 考察中等旋转与湍流对流如何相互作用，以驱动原中子星核心的大尺度发电机过程。
• 评估具有南北不对称性的热力学与流场结构对磁场组织的影响。
• 确定旋转受限对流中的湍流电动势是否能维持偶极主导的磁场。
• 评估这些发现对超新星爆炸机制与中子星演化的影响。

提出的方法

• 利用源自恒星核心坍缩模拟的现实核方程态（EOS），对原中子星进行对流发电机模拟。
• 以大质量恒星坍缩的中微子辐射-流体动力学模拟所得的流体动力学剖面和中微子输运数据初始化模拟。
• 聚焦于自转周期为170毫秒的中等旋转原中子星，研究轻子驱动对流阶段。
• 分析湍流流动与热力学场，识别核心对流区域中具有南北不对称性的大尺度结构。
• 计算湍流电动势，以评估其在组织大尺度磁场中的作用。
• 评估在旋转受限对流下磁场的出现与对称性，特别是其偶极特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等旋转的原中子星中，深层核心对流是否能自发生成大尺度、偶极对称的磁场？
• RQ2 湍流电动势在旋转受限对流中组织磁场的作用是什么？
• RQ3 具有南北不对称性的热力学与流场结构如何影响原中子星核心的磁场生成？
• RQ4 来自中微子辐射-流体动力学模拟的初始流体动力学剖面在多大程度上影响发电机过程？
• RQ5 深层核心对流对超新星爆炸动力学与中子星演化有何影响？

主要发现

• 在原中子星的核心对流区域，发展出具有南北不对称性的大尺度流动与热力学场。
• 尽管自转适中（自转周期170毫秒），仍自发形成约10¹⁵ G的、具有偶极对称性的大尺度磁场。
• 旋转受限对流中产生的湍流电动势被确定为大尺度发电机过程的关键驱动力。
• 由轻子驱动浮力驱动的深层核心对流，组织了显著影响内部动力学的流动与磁场结构。
• 稳定偶极磁场的出现表明，这为新生中子星在反弹后早期阶段的磁化提供了一种可行机制。
• 这些大尺度磁场结构可能影响核心坍缩超新星的爆炸动力学及中子星的后续演化。