[論文レビュー] Type Ia Supernovae: An Asymmetric Deflagration Model

A. C. Calder, T. Plewa+3 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2004

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、非中心点火を伴うタイプIa超新星の3次元、高解像度シミュレーションを初めて実施し、上昇するバブル状の高温灰が対流不安定性に起因するレイノルズ＝ターナー不安定性によって形成され、最大8,000 km s⁻¹の速度で約0.075 M☉の燃焼生成物が噴出することを示した。このモデルは、内在的な非対称性によってタイプIa超新星の観測的多様性を説明し、古典的な中心点火純デフラグレーションモデルを強く否定する。

ABSTRACT

We present the first high-resolution three-dimensional simulations of the deflagration phase of Type Ia supernovae that treat the entire massive white dwarf. We report the results of simulations in which ignition of the nuclear burning occurs slightly off-center. The subsequent evolution of the nuclear burning is surprisingly asymmetric with a growing bubble of hot ash rapidly rising to the stellar surface. Upon reaching the surface, the mass of burned material is $\approx 0.075 M_\sun$ and the kinetic energy is $4.3 imes 10^{49}$ ergs. The velocity of the top of the rising bubble approaches 8000 km s$^{-1}$. The amount of the asymmetry found in the model offers a natural explanation for the observed diversity in Type Ia supernovae. Our study strongly disfavors the classic central-ignition pure deflagration scenario by showing that the result is highly sensitive to details of the initial conditions.

研究の動機と目的

• 実際の非対称な初期条件のもとでの高密度白色矮星における核融合デフラグレーションの流体力学的進化を調査すること。
• 非中心点火が、タイプIa超新星の多様性と整合する観測可能な特徴を引き起こすかどうかを特定すること。
• 対称性の仮定を一切用いずに全星体体積をシミュレートすることで、純デフラグレーションモデルの妥当性を評価すること。
• レイノルズ＝ターナー不安定性が爆発の形態や元素分布に与える役割を調査すること。
• 遅延したデトネーションを仮定せずに、中間質量および鉄族元素を星の表面に運ぶ物理的メカニズムを提供すること。

提案手法

• 適応メッシュ細分化（AMR）を用いて、高密度炭素酸化物白色矮星の3次元、Euler形式の流体力学的シミュレーションを実施し、スケールの異なる動的現象を解像度を保って解析した。
• 小スケールでの核反応を記述するスケール外モデルを採用し、乱流による炎速度の増幅を捉えた。
• 初期の非対称性が炎の進化およびバブル形成に与える影響を調査するため、わずかに非中心点火を開始した。
• 時間経過に伴う燃焼フロントおよび灰バブルの進化を追跡し、上昇駆動力とRTIに起因する破壊的分岐に注目した。
• 核反応ネットワークを用いて核合成生成物を計算し、鉄族および中間質量元素の生成を追跡した。
• 密度および温度の低下に伴い炎が消火する時点でシミュレーションを終了し、後続のデトネーション段階についての仮定を避けることとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非中心点火は、高密度白色矮星におけるデフラグレーションフロントの形態的および力学的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 レイノルズ＝ターナー不安定性は、上昇するキノコ型の灰バブルの形成をどの程度駆動するか？
• RQ3 非対称点火を伴う純デフラグレーションモデルは、観測された噴出速度および質量放出率を再現できるか？
• RQ4 この状況下での最終的な噴出物の質量および運動エネルギーはそれぞれどの程度か？
• RQ5 このモデルは、遅延デトネーションを仮定せずとも、中間質量および鉄族元素の表面富化を自然に生じさせるか？

主な発見

• 0.83秒以内に、上昇する対流駆動の高温灰バブルが形成され、半径約1,500 km、横径も同程度の大きさに達した。
• バブル先端の速度は約8,000 km s⁻¹に達し、乱流領域では内部の平均速度が10,000 km s⁻¹に近づいた。
• 燃焼生成物の総噴出質量は約0.075 M☉であり、運動エネルギーは4.3 × 10⁴⁹ ergsであった。
• 星体質量の約0.2%が脱出に十分なエネルギーを持ち、残りの大部分は重力的に束縛され、後で降着する。
• 約0.026 M☉の物質が鉄族元素に変換され、表面層が富化した。
• レイノルズ＝ターナー不安定性に起因する複雑でねじれた構造が生じ、非対称な爆発形態を形成し、タイプIa超新星の観測される多様性を説明できた。