[论文解读] 3-Dimensional Core-Collapse

Chris L. Fryer, M. Warren|CERN Bulletin|Sep 19, 2003

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 95

一句话总结

本文通过三维流体动力学模拟研究了旋转大质量恒星核心坍缩过程，发现旋转会改变原中子星上方的对流行为，但不会导致核心分裂或快速生成强磁场。尽管如此，旋转最快的模型所产生的脉冲星具有足够的自转能量以主导超新星爆发能量，这为通过引力波信号和核合成产物约束前身星自转提供了潜在途径。

ABSTRACT

In this paper, we present the results of 3-dimensional collapse simulations of rotating stars for a range of stellar progenitors. We find that for the fastest spinning stars, rotation does indeed modify the convection above the proto-neutron star, but it is not fast enough to cause core fragmentation. Similarly, although strong magnetic fields can be produced once the proto-neutron star cools and contracts, the proto-neutron star is not spinning fast enough to generate strong magnetic fields quickly after collapse and, for our simulations, magnetic fields will not dominate the supernova explosion mechanism. Even so, the resulting pulsars for our fastest rotating models may emit enough energy to dominate the total explosion energy of the supernova. However, more recent stellar models predict rotation rates that are much too slow to affect the explosion, but these models are not sophisticated enough to determine whether the most recent, or past, stellar rotation rates are most likely. Thus, we must rely upon observational constraints to determine the true rotation rates of stellar cores just before collapse. We conclude with a discussion of the possible constraints on stellar rotation which we can derive from core-collapse supernovae.

研究动机与目标

• 检验大质量恒星中的自转是否会在球对称性之外显著改变核心坍缩动力学，特别是对流和磁场生成过程。
• 评估自转能量是否足以驱动超新星爆发，尤其与中微子驱动机制相比。
• 评估引力波辐射和非对称核合成作为约束前身星自转的观测手段的潜力。
• 研究自转在超新星爆发后对脉冲星自转和亮度演化的影响。
• 基于观测到的超新星特性，判断当前恒星模型是否高估或低估了前身星的自转速率。

提出的方法

• 使用FLASH代码对旋转恒星核心进行三维、完全$4\pi$对称的流体动力学模拟，采用简化的中微子输运模型。
• 采用一系列初始自转速率不同的前身星模型（从慢速到快速），研究自转对坍缩动力学的影响。
• 模拟原中子星在爆发后演化过程，追踪对流、磁场放大以及中微子发射的各向异性的变化。
• 利用Ho & Lai（2000）的理论框架模拟脉冲星自转减慢过程，考虑不同振幅的r-模不稳定性（$10^{-3}$至$10^{-2}$）。
• 从坍缩期间非对称质量运动计算引力波应变振幅，评估其被先进LIGO探测的可能性。
• 分析中微子驱动风的各向异性和r-过程核合成产物，量化自转对核合成输出的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三维模拟中，大质量恒星的自转是否显著改变原中子星上方的对流动力学？
• RQ2 自转能量是否足以单独驱动超新星爆发，还是相比中微子驱动机制仍显不足？
• RQ3 自转效应在核心坍缩期间在多大程度上产生可观测的引力波信号？
• RQ4 自转不对称性如何影响中微子发射的各向异性和后续r-过程核合成？
• RQ5 脉冲星自转减慢演化和亮度是否能为恒星前身星的初始自转速率提供约束？

主要发现

• 在三维模拟中，自转会改变原中子星上方的对流行为，但不足以导致铁核心分裂。
• 在原中子星冷却过程中磁场被放大，但放大速度不足以在模拟模型中主导爆发机制。
• 自转最快的模型产生的脉冲星其自转能量可能超过总爆发能量，表明自转能量可能成为主导能量来源。
• 旋转模型产生的引力波振幅比非旋转模型强至五倍，但除非发生银河系超新星事件，否则仍低于先进LIGO的探测阈值。
• 中微子发射具有各向异性，沿自转极轴方向平均能量更高，这是由于中微子球面更深，导致中微子驱动风不对称，进而改变r-过程核合成产物。
• 由于r-模不稳定性振幅不确定，脉冲星的亮度和自转减慢演化存在高度不确定性；即使r-模振幅较强（$\alpha_{\rm r-mode} = 10^{-2}$），其影响在1000年之后也可忽略不计，使得难以从观测中反推初始自转速率。