[论文解读] Explaining the most luminous supernovae with an inefficient jet-feedback mechanism

Avishai Gilkis, Noam Soker+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 21被引用 7

一句话总结

本文提出，大质量核心坍缩超新星（SLSNe）的极端高光度源于新生中子星上的持续吸积，其驱动力是低效的喷流-反馈机制。沿旋转轴喷出的喷流无法剥离赤道物质，导致其回落并维持吸积，从而在数日到数周内产生明亮辐射。

ABSTRACT

We suggest that the energetic radiation from core-collapse super-luminous supernovae (SLSNe) is due to a long lasting accretion process onto the newly born neutron star (NS), resulting from an inefficient operation of the jet-feedback mechanism. The jets that are launched by the accreting NS or black hole (BH) maintain their axis due to a rapidly rotating pre-collapse core, and do not manage to eject core material from near the equatorial plane. The jets are able to eject material from the core along the polar directions, and reduce the gravity near the equatorial plane. The equatorial gas expands, and part of it falls back over a timescale of minutes to days to prolong the jets-launching episode. According to the model for SLSNe proposed in the present paper, the principal parameter that distinguishes between the different cases of CCSN explosions, such as between normal CCSNe and SLSNe, is the efficiency of the jet-feedback mechanism. This efficiency in turn depends on the pre-collapse core mass, envelope mass, core convection, and most of all on the angular momentum profile in the core. One prediction of the inefficient jet-feedback mechanism for SLSNe is the formation of a slow equatorial outflow in the explosion. Typical velocity and mass of this outflow are approximately 1000 km/s and greater than about 1 solar mass, respectively.

研究动机与目标

• 解释核心坍缩超新星（SLSNe）的极端高光度，超越标准模型。
• 识别与普通核心坍缩超新星相比，SLSNe 中持续能量输出的物理机制。
• 研究角动量和核心结构如何影响喷流反馈效率及爆炸结果。
• 预测 SLSNe 中由回落驱动的吸积过程的可观测特征。

提出的方法

• 模拟新生中子星或黑洞在不同旋转速率核心中喷流的产生过程。
• 模拟相对论性喷流与预坍缩核心的相互作用，重点关注轴对称几何结构和动量传递。
• 根据核心质量、包层质量、对流及角动量分布评估喷流反馈效率。
• 计算由于喷流引起的压强和动量沉积导致重力减弱，从而引起的赤道物质回落 timescale。
• 估算在数分钟至数天内，由持续回落物质产生的吸积率和光度。
• 预测由回落物质形成的缓慢赤道外流的特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种机制使得在 SLSNe 中，中子星上的吸积得以持续，从而导致持续的高光度？
• RQ2 喷流反馈效率如何决定普通核心坍缩超新星与 SLSNe 的区别？
• RQ3 预坍缩核心中的角动量分布在喷流约束和回落过程中起什么作用？
• RQ4 SLSNe 中的回落过程预期会产生哪些可观测特征，例如外流？
• RQ5 核心质量、包层质量及对流如何影响喷流反馈效率和爆炸结果？

主要发现

• 低效喷流-反馈机制通过新生中子星上的持续吸积，解释了 SLSNe 的高光度。
• 喷流无法剥离赤道物质，导致其在数分钟至数天的时间尺度内回落，维持吸积过程。
• 喷流反馈效率的关键取决于预坍缩核心的角动量分布、核心质量及包层质量。
• 形成一个缓慢的赤道外流，典型速度约为 1000 km/s，质量超过约 1 个太阳质量。
• 该模型预测，SLSNe 源于特定的核心结构与角动量组合，有利于回落而非完全剥离。
• 该机制基于反馈效率的自然差异，天然区分了 SLSNe 与普通核心坍缩超新星。