[論文レビュー] Rotating Core Collapse and Bipolar Supernova Explosions

Adam Burrows, R. Walder+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2004

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、コア収縮超新星が主にニュートリノ加熱によって駆動されることを主張しており、回転が爆発の非軸対称性を強化し、二次的・副次的だがジェットに類似した噴出を可能にする。新しい2次元多群フラックス制限放射/流体力学コードを用いて、回転がニュートリノフラックスと加熱の非軸対称性を引き起こし、極方向に高いエントロピーとフラックスを示すことを示した。これは、回転効果を含むニュートリノ駆動メカニズムを支持するものであり、カシオペアAとSN1987Aにおける二重極構造を説明する可能性を秘めている。

ABSTRACT

We review some of the reasons for believing that the generic core-collapse supernova is neutrino-driven, not MHD-jet driven. We include a discussion of the possible role of rotation in supernova blast energetics and morphology, and speculate on the origin of Cas A's and SN1987A's ejecta fields. Two "explosive" phenomena may be associated with most core collapses, the neutrino-driven supernova itself and an underenergetic jet-like ejection that follows. The latter may be a magnetic wind that easily penetrates the debris created by the much more energetic supernova. We predict that many core-collapse supernova remnants should have sub-dominant jet-like features. In Cas A, we associate this sub-dominant collimated wind with the "jet/counter-jet" structure observed. We suggest that the actual Cas A explosion itself is at nearly right angles to this jet, along a rotation axis that coincides with the bulk of the ejecta, the iron lobes, and the putative direction of motion of the point source. It may be that when rotation becomes sufficiently rapid that the strong-neutrino-driven-supernova/weak-jet duality switches to a strong-MHD-jet scenario that might be associated with hypernovae, and in some cases GRBs. Finally, we present a calculation using a new 2D multi-group, flux-limited radiation/hydrodynamics code we have recently developed for the simulation of core-collapse supernovae. We discuss the rotation-induced anisotropy in the neutrino radiation field, neutrino heating, and the neutrino flux vectors and speculate on rotation's possible role in the supernova mechanism and in the overall supernova phenomenon.

研究の動機と目的

• 観測された二重極構造の文脈において、コア収縮超新星が主にニュートリノ加熱によって駆動されているのか、MHDジェットによって駆動されているのかを評価すること。
• 回転がコア収縮超新星におけるニュートリノ放射場の非軸対称性、加熱効率、爆発の非軸対称性に与える影響を調査すること。
• カシオペアAにおけるジェット/リアジェット構造およびSN1987Aの二重極物質噴出の起源を、回転効果を含むニュートリノ駆動メカニズムを用いて説明すること。
• 回転がニュートリノ輸送と衝撃波ダイナミクスに与える影響をシミュレートするために、新しい2次元多群フラックス制限放射/流体力学コードを開発・適用すること。
• 回転がニュートリノ駆動爆発からMHDジェット支配のイベント（ハイパノーバやGRBと関連する可能性がある）への遷移を引き起こすかどうかを評価すること。

提案手法

• ALE（任意ラグランジュアン・オイラー形式）リマップと陰解法流体力学を備えた、新しい2次元多群フラックス制限拡散（MGFLD）放射/流体力学コードが開発された。
• コードには回転、フラックス保存、拡散極限への一致が組み込まれており、軸対称幾何におけるニュートリノ輸送と流体力学の整合的シミュレーションを可能にしている。
• 15 M⊙の前身星（Woosley & Weaver 1995）を用いたシミュレーションが実施され、収縮、バウンス、衝撃波発生、ニュートリノ駆動対流段階を追跡した。
• 主要なバウンス後時刻におけるニュートリノフラックスベクトル、エントロピー、電子分率（Yₑ）、エネルギー群依存のニュートリノフラックスが計算され、可視化された。
• ニュートリノには16個のエネルギー群が含まれており、輸送とフラックス非軸対称性を考慮しているが、速度依存項（ドップラー効果、歪み）および非弾性散乱はまだ含まれていない。
• 回転に起因するニュートリノ放射の非軸対称性、加熱、物質構造の分析が行われ、ヴォン・ツェイペルの定理および先行理論的研究と比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転はコア収縮超新星におけるニュートリノ放射場およびフラックスベクトルの非軸対称性にどのように影響するか？
• RQ2 回転に起因するニュートリノ加熱の非軸対称性が、カシオペアA や SN1987A における観測された二重極構造を説明できるか？
• RQ3 回転がハイパノーバやGRBと関連するMHDジェット支配のイベントへの移行に果たす役割は何か？
• RQ4 ニュートリノ駆動メカニズムに回転効果を組み込んだ場合、そのメカニズムがType Ic超新星の観測された噴出構造および偏光をどの程度再現できるか？
• RQ5 回転と多次元ニュートリノ輸送は、爆発メカニズムの発生および持続性にどのように影響するか？

主な発見

• 回転は外核ではラグランジュ型のニュートリノエネルギー密度分布を、内核ではオブレート型の構造を生じさせ、ヴォン・ツェイペルの定理と整合的である。
• ニュートリノフラックスベクトルは極方向が赤道方向よりも長く、回転軸に沿ったニュートリノ放射と加熱が強化されていることを示している。
• ニュートリノ加熱に起因するエントロピーは極方向が赤道方向よりも高く、回転が極方向の加熱を強化することで爆発を支援する可能性があることを支持している。
• 2次元MGFLDシミュレーションでは、バウンス付近で円筒上を回転するバーレル型の対流構造が明らかになった。これは回転とニュートリノ駆動対流によって駆動されている。
• 初期バウンス後時刻における電子捕獲率とYₑ分布には強い非軸対称性が見られ、核成分とレプトン輸送に回転の影響があることを示している。
• 結果は、回転が中程度のコリメーション（30–60°）を持つ準二重極爆発を生じさせられ、カシオペアAなどの残骸における副次的ジェットに類似した特徴を説明する可能性を示唆している。