[논문 리뷰] Pushing 1D CCSNe to explosions: model and SN 1987A

Albino Perego, Matthias Hempel외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 119인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 구형 대칭 핵붕괴 초신성 시뮬레이션에서 중성미자 유동에 비례하는 에너지 강화를 통해 폭발을 유도하는 PUSH 방법을 소개한다. 이는 무거운 풍미 중성미자 유동에 비례하는 에너지 강화를 사용한다. 18.0 M⊙ ZAMS 원형성체에서 밀도 계수 ξ₁.₇₅ = 0.463를 가진 경우, SN 1987A와 일치하는 폭발 에너지(1.092 Bethe), ⁵⁶Ni 생성량(0.073 M⊙), 그리고 재진입 질량(0.1 M⊙)을 재현하며, 중성자별의 중력 질량은 1.50 M⊙로 예측한다.

ABSTRACT

We report on a method, PUSH, for triggering core-collapse supernova explosions of massive stars in spherical symmetry. We explore basic explosion properties and calibrate PUSH such that the observables of SN1987A are reproduced. Our simulations are based on the general relativistic hydrodynamics code AGILE combined with the detailed neutrino transport scheme IDSA for electron neutrinos and ALS for the muon and tau neutrinos. To trigger explosions in the otherwise non-exploding simulations, we rely on the neutrino-driven mechanism. The PUSH method locally increases the energy deposition in the gain region through energy deposition by the heavy neutrino flavors. Our setup allows us to model the explosion for several seconds after core bounce. We explore the progenitor range 18-21M$_{\odot}$. Our studies reveal a distinction between high compactness (HC) and low compactness (LC) progenitor models, where LC models tend to explore earlier, with a lower explosion energy, and with a lower remnant mass. HC models are needed to obtain explosion energies around 1 Bethe, as observed for SN1987A. However, all the models with sufficiently high explosion energy overproduce $^{56}$Ni. We conclude that fallback is needed to reproduce the observed nucleosynthesis yields. The nucleosynthesis yields of $^{57-58}$Ni depend sensitively on the electron fraction and on the location of the mass cut with respect to the initial shell structure of the progenitor star. We identify a progenitor and a suitable set of PUSH parameters that fit the explosion properties of SN1987A when assuming 0.1M$_{\odot}$ of fallback. We predict a neutron star with a gravitational mass of 1.50M$_{\odot}$. We find correlations between explosion properties and the compactness of the progenitor model in the explored progenitors. However, a more complete analysis will require the exploration of a larger set of progenitors with PUSH.

연구 동기 및 목표

• 자기 일관성 있는 폭발이 실패하는 구형 대칭 시뮬레이션에서 핵붕괴 초신성 폭발을 유도할 수 있는 계산적으로 효율적인 방법을 개발하기 위해.
• SN 1987A의 관측된 특성, 즉 폭발 에너지, ⁵⁶Ni 생성량, 잔여 질량을 기반으로 방법을 校정하기 위해.
• 18–21 M⊙ 범위의 원형성체 밀도 계수에 따른 폭발 역학 및 핵합성의 의존성을 탐색하기 위해.
• 시뮬레이션된 생성량과 SN 1987A의 관측치를 조율하기 위해 재진입의 타당성을 평가하기 위해.
• 1D 프레임워크 내에서 SN 1987A의 핵심 관측치를 재현할 수 있는 원형성체 모델과 PUSH 파라미터를 식별하기 위해.

제안 방법

• PUSH 방법은 지역적 무거운 풍미 중성미자 유동에 비례하여 영역 내 에너지 강화를 인위적으로 증가시켜, 그렇지 않으면 폭발하지 않는 시뮬레이션에서 폭발을 유도한다.
• 시뮬레이션은 전자 중성미자에 대해 IDSA, 무거운 풍미 중성미자에 대해 ASL 수송 기법을 사용하는 AGILE GR 유체역학 코드와 결합한다.
• 폭발 시기와 강도는 세 가지 파라미터로 제어된다: 시작 시점(t_on), 상승 시간(t_rise), 스케일링 인자(k_push).
• 이 방법은 ξ₁.₇₅ 파라미터로 측정된 다양한 밀도 계수를 가진 18–21 M⊙ ZAMS 원형성체 모델에 적용된다.
• ⁵⁷–⁵⁸Ni 생성량과 핵합성 생성량에 미치는 영향을 평가하기 위해 질량 컷 위치와 전자 분율을 추적한다.
• SN 1987A의 폭발 에너지, ⁵⁶Ni 생성량, 재진입 질량과의 일치도를 기반으로 유리한 모델을 선별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미자 유량 기반의 인위적 촉진자(PUSH)가 구형 대칭 시뮬레이션에서 SN 1987A의 폭발 에너지 및 핵합성 생성량을 성공적으로 재현할 수 있는가?
• RQ2 원형성체의 밀도 계수(ξ₁.₇₅)가 PUSH 프레임워크 내 폭발 시기, 에너지, 잔여 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SN 1987A의 관측치와 일치시키기 위해 필요한 재진입 질량은 얼마인가?
• RQ4 SN 1987A에서 관측된 ⁵⁷–⁵⁸Ni 생성량은 원형성체의 층 구조에 상대적인 질량 컷 위치를 조정함으로써 재현될 수 있는가?
• RQ5 PUSH 방법 하에서 SN 1987A의 관측치를 재현하는 원형성체 모델에 대해 예측되는 중성자별 질량은 얼마인가?

주요 결과

• ξ₁.₇₅ = 0.463, PUSH 파라미터(t_on = 80 ms, t_rise = 200 ms, k_push = 3.5)를 가진 18.0 M⊙ ZAMS 원형성체가 SN 1987A의 관측치를 가장 잘 재현한다.
• 폭발 에너지는 1.092 Bethe로, SN 1987A의 관측된 1 Bethe와 일치한다.
• ⁵⁶Ni 생성량은 0.073 M⊙이며, 관측치와 일치하기 위해 0.1 M⊙의 재진입 질량이 필요하다.
• 중성자별의 중력 질량은 1.50 M⊙이며, 이는 1.66 M⊙의 바리온 질량에 해당한다.
• 모델에서 ⁴⁴Ti 생성량은 부족하게 나타나지만, 핵반응 속도 및 분출 물질 혼합의 불확실성이 이 격차를 줄일 수 있다.
• 1 Bethe 수준의 폭발 에너지를 달성하기 위해서는 ξ₁.₇₅ > 0.45(높은 밀도 계수)가 필요하며, 저밀도 계수 모델은 조기에 낮은 에너지로 폭발한다.