[论文解读] 3D modeling from the onset of the SN to the full-fledged SNR: Role of an initial ejecta anisotropy on matter mixing

Antonio Tutone, S. Orlando+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 71被引用 6

一句话总结

本研究利用三维磁流体动力学模拟，探究核心坍缩超新星喷出物在爆炸后产生的各向异性的非对称性如何在5000年内影响物质混合与遗迹形态。研究发现，初始喷出物的各向异性能破坏原有的洋葱状分层结构，导致铁/硅等元素在氧壳层外发生空间倒置，并形成富含铁/硅的喷流状特征，突出于遗迹之外，且混合效率对各向异性的初始密度、速度和几何形态高度敏感。

ABSTRACT

The aim of this work is to bridge the gap between CC SNe and their remnants by investigating how post-explosion anisotropies in the ejecta influence the structure and chemical properties of the remnant at later times. We performed three-dimensional magneto-hydrodynamical simulations starting soon after the SN event and following the evolution of the system in the circumstellar medium (consisting of the wind of the stellar progenitor), for 5000 years, obtaining the physical scenario of a SNR. Here we focused the analysis on the case of a progenitor red supergiant of 19.8 M_sun. We also investigated how a post-explosion large-scale anisotropy in the SN affects the ejecta distribution and the matter mixing of heavy elements in the remnant, during the first 5000 years of evolution. In the case of a spherically symmetric SN explosion without large-scale anisotropies, the remnant roughly keeps memory of the original onion-like layering of ejecta soon after the SN event. Nevertheless, as the reverse shock hits the ejecta, the element distribution departs from a homologous expansion, because of the slowing down of the outermost ejecta layers due to interaction with the reverse shock. In the case of a large-scale anisotropy developed after the SN, we found that the chemical stratification in the ejecta can be strongly modified and the original onion-like layering is not preserved. The anisotropy may cause spatial inversion of ejecta layers, for instance leading to Fe/Si-rich ejecta outside the O shell, and may determine the formation of Fe/Si-rich jet-like features that may protrude the remnant outline. The level of matter mixing and the properties of the jet-like feature are sensitive to the initial physical (density and velocity) and geometrical (size and position) initial characteristics of the anisotropy.

研究动机与目标

• 通过模拟从爆炸到超新星遗迹（SNR）阶段的完整演化过程，弥合核心坍缩超新星（SN）爆炸与其最终形成的超新星遗迹（SNR）之间的研究空白。
• 探究爆炸后喷出物中大尺度各向异性如何影响遗迹中的化学分层与物质混合。
• 确定在何种初始条件下，各向异性喷出物可形成可观测的特征，如突出于前向激波之外的富含Fe/Si的喷流。
• 评估初始各向异性参数——密度对比度、速度对比度、尺寸与位置——对反向激波与喷出物相互作用的时间与范围的影响。
• 为解释X射线观测结果提供一个框架，通过将合成光谱与各向异性喷出物的模拟结果进行对比。

提出的方法

• 对一颗19.8 M⊙的红超巨星前身星进行三维磁流体动力学（MHD）模拟，从超新星爆炸后不久开始，演化通过星周介质（CSM）长达5000年。
• 在SN相使用FLASH代码进行模拟，在SNR相使用PLUTO代码进行建模，各阶段采用一致的初始条件。
• 在喷出物中施加一个大尺度各向异性（团块），其初始密度对比度（χₙ）、速度对比度（χᵥ）、尺寸（r）与位置（D）可调，以研究其影响。
• 通过监测关键同位素（¹⁶O、²⁸Si、⁵⁶Fe）的分布与被冲击质量，追踪化学分层、激波相互作用与物质混合的演化。
• 从模拟的遗迹中合成X射线光谱，与观测结果对比，评估其对喷出物非均匀性的诊断潜力。
• 分析反向激波的传播及其与各向异性喷出物的相互作用，特别关注被冲击质量形成的时间点。

实验结果

研究问题

• RQ1 爆炸后的喷出物各向异性如何改变核心坍缩超新星原有的洋葱状化学分层结构？
• RQ2 在何种初始条件（密度、速度、尺寸、位置）下，各向异性喷出物可形成突出于前向激波之外的富含Fe/Si的喷流状结构？
• RQ3 初始各向异性如何影响反向激波与不同喷出物层（特别是²⁸Si与⁵⁶Fe）相互作用的时间？
• RQ4 与球对称情况相比，各向异性在多大程度上增加了被冲击的⁵⁶Fe质量？
• RQ5 这些模拟的合成X射线光谱能否再现如船尾星云中富含硅的碎片或N132D中的快速结块等观测特征？

主要发现

• 在球对称情况下，原始的洋葱状分层结构在初期得以保持，但随着反向激波减速外层喷出物，其偏离了同伦膨胀行为。
• 各向异性喷出物导致化学层发生空间倒置，富含Fe/Si的物质被向外推至¹⁶O壳层之外，尤其沿z轴方向更为显著。
• 对于D=0.24的团块，速度对比度χᵥ=3已足够使其突出前向激波；而对于D=0.15，需χᵥ>6。
• 对于尺寸较小的团块（r=0.04），仅在模型Fe-R4-D750-V7（χₙ=750，χᵥ=7）中能突出前向激波。
• 团块的存在使被冲击的⁵⁶Fe质量增加约两倍，而对被冲击的²⁸Si质量影响甚微。
• 更高的速度对比度（χᵥ）可提前反向激波的相互作用时间，使来自被冲击喷出物的X射线发射提前约100年出现。