[論文レビュー] Recent Progress on Ascertaining the Core Collapse Supernova Explosion Mechanism

Anthony Mezzacappa, Stephen W. Bruenn+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、多次元・多物理学シミュレーションを用いた超新星の核心崩壊の最近の進展をレビューし、ニュートリノ駆動乱流と定在降着波面不安定性（SASI）が2次元軸対称モデルにおいて安定した爆発を実現可能であることを示している。3次元の最初のシミュレーションは前向きな結果を示しており、ニュートリノ加熱、乱流、非対称性が共同で衝撃波の停止を克服できる可能性を示唆し、長年の爆発メカニズム問題の解決に向けた重要な一歩となっている。

ABSTRACT

We have been working within the fundamental paradigm that core collapse supernovae (CCSNe) may be neutrino driven, since the first suggestion of this by Colgate and White nearly five decades ago. Computational models have become increasingly sophisticated, first in one spatial dimension assuming spherical symmetry, then in two spatial dimensions assuming axisymmetry, and now in three spatial dimensions with no imposed symmetries. The increase in the number of spatial dimensions has been accompanied by an increase in the physics included in the models, and an increase in the sophistication with which this physics has been modeled. Computation has played an essential role in the development of CCSN theory, not simply for the obvious reason that such multidimensional, multi-physics, nonlinear events cannot possibly be fully captured analytically, but for its role in discovery. In particular, the discovery of the standing accretion shock instability (SASI) through computation about a decade ago has impacted all simulations performed since then. Today, we appear to be at a threshold, where neutrinos, neutrino-driven convection, and the SASI, working together over time scales significantly longer than had been anticipated in the past, are able to generate explosions, and in some cases, robust explosions, in a number of axisymmetric models. But how will this play out in three dimensions? Early results from the first three-dimensional (3D), multi-physics simulation of the "Oak Ridge" group are promising. I will discuss the essential components of today's models and the requirements of realistic CCSN modeling, present results from our one-, two-, and three-dimensional models, place our models in context with respect to other efforts around the world, and discuss short- and long-term next steps.

研究の動機と目的

• ニュートリノ駆動乱流と定在降着波面不安定性（SASI）が、多次元シミュレーションにおいて強力な核心崩壊超新星爆発を駆動できるかどうかを調査すること。
• 多様な流体力学、ニュートリノ輸送、乱流が、大質量星の核における衝撃波停止を克服する役割を果たすかを評価すること。
• 初期条件の改善と前身星の非球対称性が、3次元シミュレーションにおける爆発の成立可能性に与える影響を評価すること。
• 特にニュートリノ質量効果や高度な輸送効果といった欠落している物理的要因が、成功した爆発モデルの構築に不可欠である可能性を検討すること。
• 現在の計算モデル、特に3次元モデルが、観測された爆発エネルギー（約1–5ベーテ）と物理的メカニズムを再現できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 時間積分法に陰解法を用い、高解像度の有限体積法を適用した、多物理学的・多次元的超新星核心崩壊シミュレーションにChimeraコードを採用する。
• ニュートリノ輸送にフラックス制限付き拡散近似を用い、降着後領域におけるエネルギーおよび角度依存のニュートリノ放出・吸収を考慮する。
• 多成分状態方程式と、Tolman-Oppenheimer-Volkovに基づくモノポール補正を用いた自己無撞着な重力項をPROMETHEUS-VERTEXフレームワークに実装する。
• 1次元、2次元、3次元の空間次元でシミュレーションを実施し、物理的複雑性と解像度を段階的に向上させる。
• PROMETHEUS-VERTEXやCOCONUT-VERTEXなどの異なるコードと、Woosley–Hegerの前身星モデル（3次元星間進化によるずれを含む）を比較する。
• SASI、ニュートリノ駆動乱流、および乱流圧力の間の相互作用が衝撃波の拡張をどのように駆動するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ駆動乱流とSASIが、超新星の2次元および3次元シミュレーションにおいて、安定的かつ高エネルギーの爆発を生じさせることができるか？
• RQ2 前身星モデルにおける球対称性の逸脱が、多次元シミュレーションにおける爆発の発生および持続性にどのように影響するか？
• RQ3 ニュートリノ輸送および流体力学における現在の近似が、爆発シミュレーションの成功にどの程度制限を及えるか？
• RQ4 乱流の動圧が衝撃波の拡張に果たす役割は何か？また、ニュートリノ加熱による熱圧力と比べてどう異なるか？
• RQ5 ニュートリノ質量効果やニュートリノ輸送における量子干渉効果が、将来的なモデルにおいて爆発メカニズムを根本的に変える可能性はあるか？

主な発見

• ニュートリノ駆動乱流とSASIを含む2次元軸対称シミュレーションは、衝撃波の再生に成功した爆発を生成しており、衝撃波再生に多次元的効果が不可欠であることが示された。
• オークリッジ研究グループによる最初の3次元・多物理学的シミュレーションは前向きな結果を示しており、強い初期非対称性がなくても、複雑な流体力学的不安定性が爆発を駆動できることを示唆している。
• SASIモード、特にm=1のスパイラルモードは、大きなせん断と乱流を引き起こし、長波長モードからのエネルギーを吸収する可能性があり、それらの成長を制限する可能性がある。
• 乱流の動圧が、衝撃波の外向き駆動に顕著な貢献を果たす可能性があり、ニュートリノ加熱に依存するだけでは不十分である。
• 3次元の球対称性からのずれを示す前身星モデル（高度な星間進化シミュレーションから得られるもの）は、そうでないモデルでは爆発が生じない場合でも、爆発を誘発できる。
• 現在のシミュレーションは、観測された爆発エネルギーとの定量的整合性を達成するためには、ニュートリノ輸送の近似を排除し、解像度を向上させる必要があると示唆している。