[论文解读] Collapse of rotating massive stars leading to black hole formation and energetic supernovae

Sho Fujibayashi, Yuichiro Sekiguchi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 5

一句话总结

本文提出，大质量恒星在坍缩形成黑洞时若具有旋转，可通过吸积盘中的粘性加热机制驱动高能超新星爆发，爆炸能量可达 >3×10⁵¹ erg，⁵⁶Ni 质量 ≥0.1M☉——这可能解释宽线 Ic 型超新星。该机制依赖于当中微子冷却效率降低时，由粘性加热驱动的吸积盘外流，尤其在快速旋转且质量吸积率高的前身星中更为显著。

ABSTRACT

We explore a possible scenario of the explosion as a result of core collapses of rotating massive stars that leave a black hole by performing a radiation-viscous-hydrodynamics simulation in numerical relativity. We take moderately and rapidly rotating compact pre-collapse stellar models derived in stellar evolution calculations as the initial conditions. We find that the viscous heating in the disk formed around the central black hole powers an outflow. For rapidly rotating models, the explosion energy is $\gtrsim 3 imes10^{51}$ erg, which is comparable to or larger than that of typical stripped-envelope supernovae, indicating that a fraction of such supernovae may be explosions powered by black-hole accretion disks. The explosion energy is still increasing at the end of the simulations with a rate of $>10^{50}$ erg/s, and thus, it may reach $\sim10^{52}$ erg. The nucleosynthesis calculation shows that the mass of $^{56}$Ni amounts to $\gtrsim 0.1M_\odot$, which, together with the high explosion energy, satisfies the required amount for broad-lined type Ic supernovae. The moderately rotating models predict small ejecta mass of order $0.1M_\odot$ and explosion energy of $\lesssim 10^{51}$ erg. Due to the small ejecta mass, these models may predict a short-timescale transient with the rise time 3$-$5 d. It can lead to a bright ($\sim10^{44}$ erg/s) transient like superluminous supernovae in the presence of dense massive circum-stellar medium. Irrespective of the models, the lowest value of the electron fraction of the ejecta is $\gtrsim 0.4$, and thus, the synthesis of heavy $r$-process elements is not found in our calculation.

研究动机与目标

• 探究由坍缩旋转大质量恒星形成的黑洞周围吸积盘中的粘性加热是否可驱动高能超新星爆发。
• 确定此类爆发产生高爆炸能量和显著⁵⁶Ni产量的条件。
• 评估该机制作为宽线 Ic 型超新星前身星情景的可行性。

提出的方法

• 对旋转大质量恒星核心坍缩进行三维广义相对论辐射-粘性-流体动力学模拟。
• 使用恒星演化模型作为初始条件，针对初始质量为 9M☉ 和 20M☉、具有中等和快速旋转的零龄主序星。
• 采用 α-粘性模型（ν = α_vis c_s H）模拟湍流角动量输运及吸积盘中的粘性加热。
• 追踪中微子冷却效率，并与粘性加热速率进行比较，以识别外流启动的区域。
• 计算高温区域吸积盘外流物质中的核合成产物，特别是⁵⁶Ni 质量。
• 监测爆炸能量和喷射物质量的时间演化，评估模拟是否达到或超过观测到的超新星能量特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在坍缩形成黑洞的旋转大质量恒星中，黑洞吸积盘中的粘性加热能否驱动爆炸？
• RQ2 中等旋转与快速旋转前身星的爆炸能量和喷射物质量分别为多少？
• RQ3 此类爆炸产生的⁵⁶Ni 产量能否与宽线 Ic 型超新星所推断的值相符？
• RQ4 喷射物中电子分数（Yₑ）如何影响 r-过程元素的合成？
• RQ5 爆炸能量是否在模拟时间尺度之后仍持续增加，暗示自然界中可能具有更高的能量？

主要发现

• 对于中等旋转的 20M☉ 模型，喷射物质量 ≈0.1M☉，爆炸能量 ≤10⁵¹ erg，表明其可能表现为上升时间短（3–5 天）的暂现源，若处于致密的星周介质中则可能呈现超亮特征。
• 对于具有高吸积率的快速旋转模型，爆炸能量达到 >3×10⁵¹ erg，且在模拟结束时仍在增加，可能达到约 10⁵² erg。
• 快速旋转模型喷射物中⁵⁶Ni 质量约为 0.56M☉，足以解释宽线 Ic 型超新星通常推断的 0.4M☉ 量级。
• 在最快速旋转模型中，喷射物的电子分数（Yₑ）≥0.46，表明在这些模拟中不可能发生显著的 r-过程核合成。
• 外流主要从其中微子冷却效率较低的吸积盘表面区域启动，尽管这些区域 Yₑ 较高，但因强烈的粘性加热和低冷却效率而驱动外流。
• 模拟结果为下限估计，因为在 t = 30 s 时，喷射物质量和爆炸能量仍在增加，表明自然界中可能存在能量更高的爆发事件。