[논문 리뷰] Numerical Simulations of the Random Angular Momentum in Convection: Implications for Supergiant Collapse to Form Black Holes

Andrea Antoni, Eliot Quataert|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 19.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 67인용 수 54

한 줄 요약

이 연구는 아테나++ 프레임워크를 사용한 3D 유체역학 시뮬레이션을 통해 비회전적인 빨간 초거성(RSG) 대기권에서의 무작위 대류 운동이, 순환 운동량이 0인 상태에서도 블랙홀(BH) 형성 기간 동안 회전으로 지지되는 질량 공급 유량을 생성할 수 있음을 보여준다. 주요 결과는 이러한 유량이 장기 지속성의 전이형을 일으킬 수 있으며, 수소 대기권이 대부분 공급될 경우 BH 스핀이 약 0.5에 도달할 수 있다는 것이다.

ABSTRACT

During the core collapse of massive stars that do not undergo a canonical energetic explosion, some of the hydrogen envelope of a red supergiant (RSG) progenitor may infall onto the newborn black hole (BH). Within the Athena++ framework, we perform three-dimensional, hydrodynamical simulations of idealized models of supergiant convection and collapse in order to assess whether the infall of the convective envelope can give rise to rotationally-supported material, even if the star has zero angular momentum overall. Our dimensionless, polytropic models are applicable to the optically-thick hydrogen envelope of non-rotating RSGs and cover a factor of 20 in stellar radius. At all radii, the specific angular momentum due to random convective flows implies associated circularization radii of 10 - 1500 times the innermost stable circular orbit of the BH. During collapse, the angular momentum vector of the convective flows is approximately conserved and is slowly varying on the timescale relevant to forming disks at small radii. Our results indicate that otherwise failed explosions of RSGs lead to the formation of rotationally-supported flows that are capable of driving outflows to large radii and powering observable transients. When the BH is able to accrete most of the hydrogen envelope, the final BH spin parameter is $\sim$ 0.5, even though the star is non-rotating. For fractional accretion of the envelope, the spin parameter is generally lower and never exceeds 0.8. We discuss the implications of our results for transients produced by RSG collapse to a black hole.

연구 동기 및 목표

• 비회전적인 빨간 초거성(RSG) 대기권에서의 무작위 대류 운동이 블랙홀(BH) 형성 기간 동안 회전으로 지지되는 질량 공급 유량을 형성할 수 있는 정도의 운동량을 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 원자성의 순환 운동량이 0임에도 불구하고 이러한 유량이 실패한 초신성(FFS)에서 관측 가능한 전이형을 일으킬 수 있는지 판단하기 위해.
• 수소 대기권이 부분적 또는 전면적으로 공급될 경우 발생하는 블랙홀 스핀과 질량 공급 역학을 정량화하기 위해.
• 장기 지속 전이형, 특히 초장수 감마선 폭발 및 고에너지 Type II 초신성에 대한 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 비회전적인 RSG의 대류 대기권과 붕괴를 모델링하기 위해 아테나++ 코드를 사용한 3차원, 이상적, 다각도 유체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 스피너의 역할을 분리하기 위해 별 반지름의 20배 범위를 커버하는 무차원, 축대칭 모델을 사용한다.
• 대류 흐름에서 기인한 특정 운동량(jrand)의 진화를 추적하고, 내부 안정 원형 궤도(ISCO) 운동량(jISCO)과 비교한다.
• 붕괴 단계를 시뮬레이션하여 jrand가 작은 반경까지 일관성 유지되는지 확인하고, 원형 궤도화와 회전으로 지지되는 힘의 형성 여부를 분석한다.
• 질량 공급률, 원형 궤도 반경, 최종 BH 스핀 매개변수 등을 포함한 질량 공급 역학을 분석한다.
• 다양한 공급 비율에 따른 결과를 비교하여 스핀 진화와 전이형 잠재력에 대해 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비회전적인 RSG 대기권에서의 무작위 대류 운동이 블랙홀 형성 기간 동안 회전으로 지지되는 질량 공급 유량을 형성할 수 있는 정도의 운동량을 생성할 수 있는가?
• RQ2 원자성의 순환 운동량이 0임에도 불구하고 수소 대기권이 전부 공급될 경우 최종 BH 스핀 매개변수가 얼마가 되는가?
• RQ3 대류에 의해 생성된 운동량의 원형 궤도 반경은 블랙홀의 ISCO와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 어느 정도까지 회전으로 지지되는 힘이 외부 유량을 일으키고 실패한 초신성에서 장기 지속 전이형을 일으킬 수 있는가?

주요 결과

• RSG 대기권의 무작위 대류 흐름은 모든 반경에서 jISCO(내부 안정 원형 궤도에서의 케플러 운동량)보다 10~1500배 큰 특정 운동량(jrand)을 생성한다.
• 대류 흐름의 운동량 벡터는 붕괴 동안 약간의 변화를 겪으며, 작은 반경에서 디스크 형성과 관련된 시간스케일에서 느리게 변화한다.
• 순환 운동량이 0이지만, 대부분의 수소 대기권이 공급될 경우 최종 BH 스핀 매개변수는 약 0.5에 도달한다.
• 대기권의 부분적 공급의 경우, BH 스핀은 일반적으로 낮으며, 0.8를 초과하지 않아, 대류 운동량에 의한 스핀의 강력한 상한선을 나타낸다.
• jacc가 원형 궤도 반경까지 일관성 유지되므로, 외부까지 큰 반경으로 유량을 일으킬 수 있는 회전으로 지지되는 흐름의 형성이 가능하다.
• 결과적으로, RSG의 실패한 초신성에서 월-연 지속 전이형을 일으킬 수 있으며, 빛의 세기는 약 10^40 erg s⁻¹까지 도달할 수 있다. 이는 초장수 감마선 전이형과 고에너지 Type II 초신성의 원인을 설명할 수 있다.