[论文解读] Magnetorotational supernova

N. V. Ardeljan, Г. С. Бисноватый-Коган+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2004

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本研究通过二维模拟展示了磁旋转超新星模型，表明在坍缩核心中，差速旋转会在线性阶段放大环向磁场，随后触发磁流体动力学（MHD）不稳定性，从而加速磁能增长。当距离原初中子星约15公里处，磁压与气压相当，形成磁流体压缩波，该波演化为快速激波，并驱动一次能量为0.6 × 10⁵¹ erg、喷射物质量约为0.14 M☉的超新星爆发。

ABSTRACT

We present the results of 2D simulations of the magnetorotational model of the supernova explosion. After the core collapse the core consists of rapidly rotating proto-neutron star and differentially rotating envelope. The generated by the differential rotation toroidal part of the magnetic energy growths linearly with time at the initial stage of the evolution of the magnetic field. The linear growth of the toroidal magnetic field is terminated by the development of magnetohydrodynamic instability, leading to the drastic acceleration of the growth of magnetic energy. At the moment when the the magnetic pressure becomes comparable with the gas pressure at the periphery of the proto-neutron star $\\sim 10-15$km from the star center the MHD compression wave appears and goes through the envelope of the collapsed iron core. It transforms soon to the fast MHD shock and produces supernova explosion. Our simulations give the energy of the explosion $0.6\\cdot 10^{51}$ ergs. The amount of the ejected by the explosion mass $\\sim 0.14M_\\odot$. The implicit numerical method, based on the Lagrangian triangular grid of variable structure was used for the simulations.

研究动机与目标

• 研究差速旋转与磁场放大在触发超新星爆发中的作用。
• 模拟坍缩恒星核心中从线性磁场增长到非线性MHD不稳定的过渡过程。
• 确定由磁场压强累积产生的MHD波是否能够驱动成功的超新星爆发。
• 利用高分辨率模拟量化磁旋转模型中的爆炸能量与喷射物质量。

提出的方法

• 采用隐式数值方法与可变结构的拉格朗日三角形网格，执行二维磁流体动力学（MHD）模拟。
• 模拟涵盖核心坍缩后的状态，包括快速旋转的原初中子星与差速旋转的包层。
• 追踪磁场演化过程，重点关注由差速旋转引起的环向分量增长。
• 将磁流体不稳定性的发生识别为磁能快速增长的触发机制。
• 模拟MHD压缩波在铁核心包层中的传播，以评估激波形成与爆炸动力学。
• 从最终模拟状态计算能量与质量喷射，以评估爆炸能量学特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初中子星中的差速旋转是否足以导致磁场放大，从而驱动超新星爆发？
• RQ2 在磁旋转模型中，从线性到磁能快速增长的转变由什么触发？
• RQ3 磁场压强累积如何导致激波形成并引发后续爆发？
• RQ4 在此MHD驱动情景下，爆炸能量与喷射物质量分别为多少？
• RQ5 MHD压缩波是否能演化为能够剥离恒星包层的快速激波？

主要发现

• 在初始阶段，由于原初中子星与包层中的差速旋转，环向磁场随时间线性增长。
• 磁流体不稳定性终止了线性增长阶段，并触发了磁能放大的快速加速。
• 在距离原初中子星中心约15公里处，磁压与气压相当，从而启动MHD压缩波。
• 该压缩波演化为在核心中传播的快速MHD激波，驱动超新星爆发。
• 模拟得到的爆炸能量为0.6 × 10⁵¹ erg，与观测到的超新星能量学一致。
• 爆发喷射的物质质量约为0.14 M☉，表明恒星包层被显著剥离。