[论文解读] Multidimensional Supernova Simulations with Approximative Neutrino Transport I. Neutron Star Kicks and the Anisotropy of Neutrino-Driven Explosions in Two Spatial Dimensions

Leonhard Scheck, K. Kifonidis+2 more|ArXiv.org|Jan 13, 2006

Neutrino Physics Research参考文献 90被引用 169

一句话总结

本研究利用带有近似中微子输运的二维流体动力学模拟，研究了核心坍缩超新星中的中子星反冲。结果表明，流体不稳定性——尤其是 $l=1$（偶极）模式——可导致质量不对称抛射，从而通过动量守恒使中子星加速度超过 1000 km/s。关键结果是中子星速度呈现双峰分布，根据抛射物中 $l=1$ 模式占主导地位与否，形成高速与低速两组。

ABSTRACT

By means of two-dimensional (2D) simulations we study hydrodynamic instabilities during the first seconds of neutrino-driven supernova explosions, using a PPM hydrodynamics code, supplemented with a gray, non-equilibrium approximation of radial neutrino transport. We consider three 15 solar mass progenitors with different structures and one rotating model, in which we replace the dense core of the newly formed neutron star (NS) by a contracting inner grid boundary, and trigger neutrino-driven explosions by systematically varying the neutrino fluxes emitted at this boundary. Confirming more idealized studies as well as supernova simulations with spectral transport, we find that random seed perturbations can grow by hydrodynamic instabilities to a globally asymmetric mass distribution, leading to a dominance of dipole (l=1) and quadrupole (l=2) modes in the explosion ejecta. Anisotropic gravitational and hydrodynamic forces are found to accelerate the NS on a timescale of 2-3 seconds. Since the explosion anisotropies develop chaotically, the magnitude of the corresponding kick varies stochastically in response to small differences in the fluid flow. Our more than 70 models separate into two groups, one with high and the other with low NS velocities and accelerations after 1s of post-bounce evolution, depending on whether the l=1 mode is dominant in the ejecta or not. This leads to a bimodality of the distribution when the NS velocities are extrapolated to their terminal values. The fast group has an average velocity of about 500 km/s and peak values in excess of 1000 km/s. Establishing a link to the measured distribution of pulsar velocities, however, requires a much larger set of calculations and ultimately 3D modeling. (abridged)

研究动机与目标

• 利用多维流体动力学模拟研究核心坍缩超新星中中子星反冲的起源。
• 确定流体不稳定性是否能产生足够强的质量抛射不对称性，以解释观测到的脉冲星速度。
• 探讨低模态不稳定性（$l=1$，$l=2$）在塑造爆炸各向异性和驱动中子星反冲中的作用。
• 评估在不同前身星模型和模拟参数下，预测的双峰速度分布的鲁棒性。
• 检验中子星反冲源于不对称质量抛射引起的动量守恒，而非中微子发射各向异性这一假设。

提出的方法

• 对带有近似中微子输运的核心坍缩超新星进行二维轴对称流体动力学模拟。
• 采用边界条件模拟收缩的中子星，并实现强中微子加热以驱动爆炸。
• 使用随机种子扰动在新生中子星与吸积激波之间的喷发区触发流体不稳定性。
• 通过追踪抛射物中球谐模式（$l=1$，$l=2$）的增长来量化爆炸各向异性。
• 根据质量分布不对称性计算中子星因引力和流体力产生的加速度。
• 通过在 0.5–1 秒内取平均加速度并假设恒定减速定律，将 1 秒后的时间速度外推至最终值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维模拟中，流体不稳定性是否能产生足够强的爆炸各向异性，以解释中子星反冲速度超过 1000 km/s？
• RQ2 若 $l=1$ 模式在抛射物中占主导，是否会导致中子星速度呈现双峰分布？
• RQ3 不稳定性增长时间尺度相对于爆炸起始时间的影响如何，进而影响最终反冲速度的大小与方向性？
• RQ4 在模拟模型中，中子星速度是否系统性依赖于前身星结构或爆炸能量？
• RQ5 观测到的双峰脉冲星速度分布是否可由流体动力学不对称性而非中微子发射各向异性来解释？

主要发现

• 流体不稳定性从随机种子扰动发展为全局不对称的质量分布，抛射物中以 $l=1$ 和 $l=2$ 模式为主。
• 由于不对称质量抛射导致的动量守恒，中子星加速度可超过 1000 km/s，且持续数秒。
• 模拟产生双峰速度分布，最小值约为 300 km/s，将高速（最高达 1300 km/s）和低速两组分开。
• 双峰性主要取决于 $l=1$ 模式是否主导抛射物：$l=1$ 占主导的模型产生高速中子星。
• 在 70 个模型中，未发现中子星速度与爆炸能量或前身星结构之间存在系统性相关性。
• 由于不稳定性混沌增长，反冲大小具有随机性，且当新生中子星收缩更快时，低模态不稳定性增长增强，反冲随之增大。