[論文レビュー] Thermonuclear explosions of Chandrasekhar-mass C+O white dwarfs

M. Reinecke, W. Hillebrandt+1 more|ArXiv.org|Dec 7, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、乱流flame伝播と鋭い燃焼フロントをレベルセット法でモデル化する新しい有限体積法を用いて、チャンドラセカール質量のC+O白色矮星の2次元流体力学的シミュレーションを実施する。燃焼構造および乱流の正確な取り扱いにもかかわらず、中心点火のシミュレーションでは残骸が束縛状態に留まり、非中心点火では典型的なIa超新星のエネルギーに達しない弱い爆発が生じる。

ABSTRACT

First results of simulations are presented which compute the dynamical evolution of a Chandrasekhar-mass white dwarf, consisting of equal amounts of carbon and oxygen, from the onset of violent thermonuclear burning, by means of a new two-dimensional numerical code. Since in the interior of such a massive white dwarf nuclear burning progresses on microscopic scales as a sharp discontinuity, a so-called flamelet, which cannot be resolved by any numerical scheme, and since on macroscopic scales the burning front propagates due to turbulence, we make an attempt to model both effects explicitly in the framework of a finite-volume hydrodynamics code. Turbulence is included by a sub-grid model, following the spirit of large eddy simulations, and the well-localized burning front is treated by means of a level set, which allows us to compute the geometrical structure of the front more accurately than with previous methods. The only free parameters of our simulations are the location and the amount of nuclear fuel that is ignited as an initial perturbation. We find that models in which explosive carbon burning is ignited at the center remain bound by the time the front reaches low densities, where we stopped the computations because our description of combustion is no longer applicable. In contrast, off-center ignition models give rise to explosions which, however, are still too weak for typical Type Ia supernovae. Possible reasons for this rather disappointing result are discussed.

研究の動機と目的

• 爆発的核燃焼の開始から、チャンドラセカール質量のC+O白色矮星の動的進化をシミュレートすること。
• 数値的手法を用いて、大質量白色矮星における小スケールのflameフロントおよび乱流燃焼を解像する課題に取り組むこと。
• 中心点火と非中心点火のどちらが、Ia超新星と整合する爆発的破壊を引き起こすかを特定すること。
• 乱流およびflameフロントの幾何学的形状が、爆発エネルギーに与える影響を評価すること。

提案手法

• 白矮星の点火後における完全な動的進化をモデル化するために、新規の2次元有限体積法流体力学コードを用いる。
• 従来の手法よりも高い幾何的精度で、明確に局在化した燃焼フロントを追跡するためにレベルセット法を用いる。
• 未解像の乱流を補償するため、大渦シミュレーション（LES）の原則に基づく小スケールモデルを導入する。
• 初期条件は、核燃料の点火位置と量のみを指定し、燃焼パラメータの追加チューニングは行わない。
• 燃焼モデルが適用不能になる低密度に達した段階で、シミュレーションを停止する。
• エネルギー保存則および質量保存則の確認と、既知の物理的制約との比較により、コードの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元流体力学的シミュレーションは、チャンドラセカール質量のC+O白色矮星におけるdeflagrationから爆発への遷移を正確にモデル化できるか？
• RQ2 初期点火位置（中心対非中心）が、得られる爆発エネルギーおよび残骸の束縛状態にどのように影響を与えるか？
• RQ3 小スケールおよびレベルセット技術を用いた場合、白色矮星爆発の文脈で乱流およびflameフロントの幾何学的形状をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ4 中心点火のシミュレーションでは、激しい燃焼にもかかわらずなぜ残骸が非束縛状態に至らないのか？
• RQ5 現在の数値モデルには、観測されたIa超新星のエネルギーを再現する上でどのような限界があるか？

主な発見

• 中心点火のシミュレーションでは、低密度領域に達するまでの間に、星を非束縛状態にまで解放するのに十分なエネルギーを燃焼フロントが得られず、残骸が束縛状態に留まる。
• 非中心点火では爆発的破壊が生じるが、得られる爆発エネルギーは典型的なIa超新星の観測値に達しない。
• レベルセット法は、従来手法よりもflameフロントの幾何的構造をより正確に再現でき、乱流燃焼におけるフロント追跡の精度が向上する。
• 小スケール乱流モデルは、flame伝播に及ぼす大規模な乱流効果を捉えているが、完全な乱流の再現には至らない簡略化された近似である。
• シミュレーションは依然として束縛状態または弱く非束縛状態に留まり、現在のモデリング手法では必要な爆発エネルギーに到達できないことが示された。
• 著者らは、未解像のflameダイナミクスおよび低密度領域における不完全な燃焼モデル化が、爆発エネルギーの過小予測の主な要因であると特定した。