[论文解读] Collapsars in Three Dimensions

Gabriel Rockefeller, Chris L. Fryer+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本研究首次对一颗质量为60 M⊙的零金属度恒星的三维坍缩过程进行了模拟，结果表明，吸积盘中非轴对称的螺旋波不稳定性驱动了增强的黏性加热与角动量输运，从而引发了一次能量高达$10^{52}$ erg的超新星爆发，且未产生相对论喷流。这些不稳定性产生了强烈的引力波信号，其振幅比以往的旋转模型强达15倍，但由于事件率过低，仍无法被LIGO在1 Mpc距离探测到。

ABSTRACT

We present the results of 3-dimensional simulations of the direct collapse to a black hole of a rotating, 60-solar-mass, zero metallicity, population III star. Because the structure of this star (angular momentum, density and temperature profiles) is similar to many collapsar gamma-ray burst progenitors, these calculations have implications beyond the fate of population III stars. These simulations provide a first 3-dimensional look at a realistic collapsar progenitor, and the results are very different from any previous 2-dimensional calculations. If the angular momentum of the progenitor is high, non-axisymmetric instabilities in the collapsing core cause spiral structures to form, and these structures shape later outflows. These outflows are driven by the imbalance between viscous heating and inefficient neutrino cooling and ultimately develop into a 1e52 erg explosion. Without magnetic fields, this collapse will not produce relativistic jets, but the explosion is indeed a hypernova. We conclude with a discussion of the implications of such calculations on the explosions, nucleosynthesis, neutrino flux and gravitational wave emission from the collapse of massive stars.

研究动机与目标

• 研究旋转的60 M⊙第三星族恒星核心坍缩的三维动力学，该恒星是可能的原恒星前身星。
• 考察吸积盘中的非轴对称不稳定性如何影响角动量输运、爆发外流及引力波辐射。
• 评估其对核合成、中微子通量及引力波可探测性的影响。

提出的方法

• 采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法，对来自KEPLER恒星演化代码的1D前身星模型进行三维坍缩模拟。
• 初始条件直接取自具有真实角动量、密度和温度分布的预坍缩60 M⊙零金属度恒星。
• 模拟追踪物质向中心黑洞的吸积过程，直至最内稳定圆轨道，采用简化的方程状态和中微子冷却近似。
• 基于Fryer等人（2004）的理论框架，从质量运动与中微子发射的非对称性计算引力波信号。
• 分析中微子通量与电子分数演化，以评估核合成产物与非对称性。
• 将结果与2D轴对称模型对比，以分离出三维特有效应，如螺旋波不稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 吸积盘中的三维不稳定性如何影响原恒星坍缩过程中的角动量输运与爆发能量输出？
• RQ2 三维吸积不稳定性产生的引力波信号特征为何？其与二维模型及核心坍缩超新星相比有何差异？
• RQ3 中微子通量非对称性与电子分数演化在喷射物核合成中起多大作用？
• RQ4 真实旋转的第三星族恒星坍缩是否可能产生无相对论喷流的超新星？
• RQ5 当前及先进LIGO仪器探测此类原恒星坍缩引力波的可能性如何？

主要发现

• 由于角动量过高，吸积盘中发展出非轴对称的螺旋波不稳定性，驱动了增强的黏性加热与角动量输运。
• 爆发能量达到约$10^{52}$ erg，与超新星特征一致，其驱动力量源于黏性加热与中微子冷却效率低下之间的不平衡。
• 在快速旋转模型中，由质量运动产生的引力波振幅比以往旋转模型高出近15倍，振荡频率范围为100–1000 Hz。
• 中微子发射非对称性产生的引力波信号强度与核心坍缩超新星相当，甚至可能强达五倍，但由于事件率过低，仍无法被LIGO在1 Mpc距离探测到。
• 由于高能反中微子优先被吸收，喷射物中电子分数可能降至0.5以下，从而改变核合成产物。
• 在无磁场条件下，爆发并非喷流型，外流高度不对称，其结构由螺旋波特征所主导。