[논문 리뷰] Possible indications for jittering jets in core collapse supernova explosion simulations

Noam Soker|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 31.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 11인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 핵붕괴 초신성 폭발에서 자기장이 없더라도 확률적인 각운동량 연료 공급에 의해 진동하는 제트(방향이 변화하는 이중성 방출)가 발생할 수 있음을 3차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 제시한다. 주요 발견은 높은 각운동량 연료 공급과 진단 폭발 에너지의 급격한 증가 사이에 강한 정상상관관계가 있음을 보여주며, 이는 중성미자 가열과 각운동량 간의 상호 피드백이 폭발적 제트 활동을 이끄는 것을 시사한다.

ABSTRACT

I analyse recent three-dimensional hydrodynamical simulations of exploding core collapse supernovae (CCSNe) and find that a rapid increase in the diagnostic explosion energy occurs parallel to, or very shortly after, the accretion of gas with relatively large amount of angular momentum and/or specific angular momentum. The tendency towards a positive correlation between angular momentum accretion and the increase in the explosion energy appears despite the absence of magnetic fields in the simulations. I speculate that the inclusion of magnetic fields would make this positive correlation much stronger and would increase the explosion energy. At times, the high angular momentum accretion leads to a bipolar outflow that in some cases changes directions. I argue that there is a mutual influence between neutrino heating and stochastic angular momentum, and that both operate together to explode the star with bipolar outflows that change directions, namely, jittering jets. This study calls for a deep flow analysis of simulations of CCSNe, e.g., to present the flow structure, the density, and the angular momentum of the flow near the newly born neutron star (NS).

연구 동기 및 목표

• 3D 핵붕괴 초신성 시뮬레이션에서 각운동량 연료 공급과 진단 폭발 에너지 증가 사이의 상관관계를 조사하기 위해.
• 시뮬레이션에서 자기장이 없음에도 관측된 에너지 급증과 이중성 방출이 진동하는 제트의 존재를 시사하는지 평가하기 위해.
• 중성미자 가열과 확률적인 각운동량 간의 상호작용이 비대칭적이고 시간에 따라 변화하는 유량을 어떻게 이끄는지 탐색하기 위해.
• 향후 시뮬레이션에서 뉴트리노 스타 주변의 각운동량, 밀도 및 유량 구조에 중점을 두고 깊은 유량 분석을 권장하기 위해.
• 중성미자 가열과 각운동량 변동의 조합이 관측된 초신성 잔해에서 제트 유사 특징(예: 크래브 및 벨라 성운)을 설명할 수 있음을 주장하기 위해.

제안 방법

• Müller 등(2017, 2018, 2019)의 3D 유체역학 시뮬레이션을 분석하여, 예비 붕괴 편향이 있는지 여부에 따라 질량, 각운동량, 진단 폭발 에너지의 변화를 추적하였다.
• 시간 도함수를 이용해 연료된 기체의 특정 각운동량을 계산하였다: $ j = (j_x^2 + j_y^2 + j_z^2)^{1/2} $, 여기서 $ j_i = dJ_i / dM_{\text{by}} $.
• 진단 폭발 에너지의 시간적 증가와 특정 각운동량의 급증 및 각운동량 벡터 변화 사이의 상관관계를 분석하였다.
• _entropy 지도 및 유량 형태(예: 그림 5 및 6)를 분석하여 이중성 방출의 방향 변화를 확인하였으며, 이를 진동하는 제트의 증거로 해석하였다.
• 관측 유사체(예: 펄사 자전축을 따라 '귀'가 있는 크래브 및 벨라 초신성 잔해)를 활용하여 제트 유도 유형의 형태적 특징이 타당함을 뒷받침하였다.
• 중성미자 가열과 각운동량 변동이 열압과 충격파 역학을 통해 함께 작용하여, 자기장이 없는 조건에서도 폭발을 이끄는 것으로 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵붕괴 초신성 시뮬레이션에서 높은 각운동량 연료 공급과 진단 폭발 에너지 증가 사이에 통계적으로 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 명시적인 자기장이 없이도 방향이 변화하는 이중성 방출(진동하는 제트)이 시뮬레이션에서 발생할 수 있는가?
• RQ3 중성미자 가열과 확률적인 각운동량 변동이 비대칭 폭발 역학을 얼마나 공동으로 이끄는가?
• RQ4 예비 붕괴 편향은 각운동량 기반 에너지 급증과 제트 유사 유량의 발생 및 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 각운동량과 가열 간의 관찰된 상호작용은 1차원 모델과 관측된 초신성 잔해 해석에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 자기장이 없는 시뮬레이션에서도 연료된 기체의 특정 각운동량 급증과 진단 폭발 에너지의 급격한 증가 사이에 명백한 정상상관관계가 관측되었다.
• 밀도 및 엔트로피 지도에서의 축 이동을 통해 나타나는 이중성 방출의 방향 변화는 높은 각운동량 연료 공급과 함께 발생하며, 이는 진동하는 제트 행동을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과, 높은 각운동량 연료 공급이 네트워크 각운동량이 0인 예비 붕괴 핵의 경우에도 일시적인 비대칭 유량이 형성되어 제트 유사 구조를 띠게 한다는 것이 확인되었다.
• Müller 등(2019)의 그림 6에서 관측된 방향이 변화하는 이중성 방출은 자기장이 없는 조건에서도 진동하는 제트의 시각적 증거를 제공한다.
• 본 연구는 중성미자 가열과 각운동량 변동이 상호보완적으로 작용하여 폭발을 이끄는 것으로 제안하며, 후자의 효과가 전자의 영향를 증폭시킬 수 있음을 시사한다.
• 결과적으로 향후 뉴트리노 스타 근처에서 고해상도 및 예비 붕괴 편향을 포함한 자기유체역학 시뮬레이션은 관측치와 일치하는 $10^{52}$ erg 이상의 폭발 에너지를 달성할 수 있을 것으로 암시된다.