[論文レビュー] Multidimensional Supernova Simulations with Approximative Neutrino Transport I. Neutron Star Kicks and the Anisotropy of Neutrino-Driven Explosions in Two Spatial Dimensions

Leonhard Scheck, K. Kifonidis+2 more|ArXiv.org|Jan 13, 2006

Neutrino Physics Research参考文献 90被引用数 169

ひとこと要約

本研究では、近似的ニュートリノ輸送を用いた2次元流体力学的シミュレーションを用いて、核心崩壊超新星における中性子星のキックを調査する。流体力学的不安定性、特に$l=1$（電気双極子）モードが、運動量保存により1000 km/sを超える中性子星の加速を引き起こす非対称な質量噴出を駆動することを示している。主な結果として、$l=1$ モードが噴出物に優勢であるかどうかに応じて、高・低速度の2つのグループに分かれる中性子星速度の二峰性分布が得られた。

ABSTRACT

By means of two-dimensional (2D) simulations we study hydrodynamic instabilities during the first seconds of neutrino-driven supernova explosions, using a PPM hydrodynamics code, supplemented with a gray, non-equilibrium approximation of radial neutrino transport. We consider three 15 solar mass progenitors with different structures and one rotating model, in which we replace the dense core of the newly formed neutron star (NS) by a contracting inner grid boundary, and trigger neutrino-driven explosions by systematically varying the neutrino fluxes emitted at this boundary. Confirming more idealized studies as well as supernova simulations with spectral transport, we find that random seed perturbations can grow by hydrodynamic instabilities to a globally asymmetric mass distribution, leading to a dominance of dipole (l=1) and quadrupole (l=2) modes in the explosion ejecta. Anisotropic gravitational and hydrodynamic forces are found to accelerate the NS on a timescale of 2-3 seconds. Since the explosion anisotropies develop chaotically, the magnitude of the corresponding kick varies stochastically in response to small differences in the fluid flow. Our more than 70 models separate into two groups, one with high and the other with low NS velocities and accelerations after 1s of post-bounce evolution, depending on whether the l=1 mode is dominant in the ejecta or not. This leads to a bimodality of the distribution when the NS velocities are extrapolated to their terminal values. The fast group has an average velocity of about 500 km/s and peak values in excess of 1000 km/s. Establishing a link to the measured distribution of pulsar velocities, however, requires a much larger set of calculations and ultimately 3D modeling. (abridged)

研究の動機と目的

• 多次元流体力学的シミュレーションを用いて、核心崩壊超新星における中性子星キックの起源を調査すること。
• 流体力学的不安定性が、観測されたパルサー速度を生じさせるのに十分な非対称性を質量噴出に与えるかどうかを特定すること。
• 爆発の非対称性を形作る低モード不安定性（$l=1$、$l=2$）が中性子星の反動を引き起こす役割を調査すること。
• 予備星モデルやシミュレーションパラメータの変化に対して、予測された二峰性速度分布の頑健性を評価すること。
• 中性子星キックが、非対称な質量噴出に起因する運動量保存によるものであり、ニュートリノの非対称的放出によるものではないという仮説を検証すること。

提案手法

• 近似的ニュートリノ輸送を用いた2次元軸対称流体力学的シミュレーションを、核心崩壊超新星に対して実施する。
• 収縮する中性子星をモデル化する境界条件を導入し、強いニュートリノ加熱によって爆発を駆動できるようにする。
• 生じた中性子星と降着衝撃波の間の後方衝撃領域に、ランダムなシード摂動を導入して流体力学的不安定性を誘発する。
• 噴出物における球面調和モード（$l=1$、$l=2$）の成長を追跡し、爆発の非対称性を定量化する。
• 非対称な質量分布に起因する重力的および流体力学的力から中性子星の加速度を計算する。
• 0.5〜1秒の平均加速度を仮定し、定加速度法則に従って1秒後の後bounce速度を終端値に外挿算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元シミュレーションにおける流体力学的不安定性が、1000 km/sを超える中性子星キックを説明するのに十分な爆発非対称性を生じるか？
• RQ2 噴出物において$l=1$ モードが優勢である場合、中性子星速度の二峰性分布が生じるか？
• RQ3 不安定性の成長時スケールが爆発開始時刻に対してどのように影響を及ぼすかが、最終的なキックの大きさと方向性に与える影響は？
• RQ4 シミュレートされたモデルにおいて、中性子星速度が予備星構造や爆発エネルギーに系統的依存性を示すか？
• RQ5 観測された二峰性パルサー速度分布は、非対称な流体力学的非対称性によって説明可能であり、ニュートリノの非対称的放出とは無関係であるか？

主な発見

• ランダムなシード摂動から発生する流体力学的不安定性が、$l=1$ および $l=2$ モードが主導する非対称な質量分布を生成する。
• 運動量保存に起因する非対称な質量噴出のため、1000 km/sを超える中性子星加速度が数秒間にわたり達成される。
• 最小値が約300 km/sの二峰性速度分布が得られ、高速（最大1300 km/s）および低速の2つのグループに分かれる。
• 二峰性は主に、$l=1$ モードが噴出物で優勢かどうかに依存しており、$l=1$ の優勢なモデルでは高速の中性子星が得られる。
• 70のモデルにおいて、中性子星速度と爆発エネルギーまたは予備星構造との間に系統的相関は認められない。
• 不安定性のカオス的成長によりキックの大きさは確率的変動を示し、新生中性子星の収縮が速いほど低モード不安定性の成長が促進され、キックが増大する。