[论文解读] Nucleosynthesis in jet-driven and jet-associated supernovae

Matrin Obergaulinger, Moritz Reichert|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文研究喷流驱动及喷流关联的超新星中的核合成，表明在快速旋转、强磁场的大质量恒星中，磁旋转爆炸机制可产生增强的56Ni产量，并实现有限的r-过程，从而促进早期星系的化学富集。这些事件，包括超新星和长伽马射线暴驱动的塌缩星，由于存在富含中子的喷流和相对论性喷流，成为重元素生成的可行场所。

ABSTRACT

In contrast to regular core-collapse supernovae, explosions of rapidly rotating massive stars can develop jets, fast collimated outflows directed along the rotational axis. Depending on the rate of rotation and the magnetic field strength before collapse as well as on possible mechanisms amplifying the magnetic field, such a core can explode magnetorotationally rather than via the standard supernova mechanism based on neutrino heating. This scenario can explain the highest kinetic energies observed in the class of hypernovae. On longer time scales, rotation and magnetic fields can play an important role in the engine of long gamma-ray burst powered by proto-magnetars or hyperaccreting black holes in collapsars. Both classes of events are characterized by relativistic jets and winds driven by neutrinos or magnetic spin-down of the central objects. The nucleosynthesis in these events includes the production of Fe group elements, including a possibly enhanced synthesis of radioactive 56Ni leading to high peak luminosities. Additionally, these events are, out of all stellar core-collapse events the ones most likely to allow for the formation of the heaviest nuclei via rapid neutron captures. Increasingly sophisticated numerical simulations indicate that at least a limited r-process is possible, though it remains open how robust this result is against variations in the numerical methods and the initial conditions. If so, supernovae with jets could contribute to the observed galactic chemical enrichment, in particular at early times before neutron-star mergers might be able to set in.

研究动机与目标

• 理解喷流驱动及喷流关联的核坍缩超新星中的核合成产物，特别是涉及相对论性喷流和类磁星引擎的机制。
• 评估快速旋转和强磁场在促进增强56Ni生成及形成有利于r-过程的富含中子喷流中的作用。
• 评估这些事件对星系化学富集的贡献，特别是在低金属丰度条件更易保留高角动量的早期宇宙中。
• 识别在数值模拟存在不确定性的情况下，此类环境中有限r-过程发生的条件。
• 将喷流驱动超新星的核合成输出与中子星并合等其他r-过程场所进行比较，重点关注延迟时间与事件稀有性。

提出的方法

• 对不同初始条件（包括旋转速率、磁场强度和前身星质量）下的核坍缩超新星进行数值模拟。
• 建模磁旋转爆炸机制，其中磁能和角动量驱动喷流形成，克服中微子驱动的激波停滞。
• 结合多维流体动力学、中微子输运和方程态（EOS）模型，模拟原中子星风和吸积盘的演化。
• 使用核反应网络追踪喷流和磁化喷流物质中同位素产物的生成，特别是56Ni和r-过程核素。
• 分析包含原磁星或超吸积黑洞的塌缩星情景中风和喷流的特性，重点关注电子分数和中子丰富度。
• 将核合成结果与星系化学演化数据及SLSN和长伽马射线暴的观测约束进行比较。

Figure 1: Simple representation of a jet in a star whose surface is indicated by the red curve. Symmetry about the propagation direction (black axis) is assumed. Gas is accelerated by a central engine (yellow symbol) and follows the velocity field indicated by the thin blue and green arrows as long

实验结果

研究问题

• RQ1 在快速旋转、强磁场的大质量恒星中，喷流驱动爆炸是否能产生足够的56Ni以解释超新星和超亮超新星中观测到的高光度？
• RQ2 喷流驱动超新星中富含中子的喷流内r-过程能进行到何种程度？该过程在不同模拟设置下的鲁棒性如何？
• RQ3 在时间、产物质量和对早期星系化学富集的贡献方面，喷流关联超新星的核合成产物与中子星并合相比如何？
• RQ4 磁场增强和旋转能量在促成大质量恒星中成功爆炸和喷流形成方面起什么作用？
• RQ5 哪些观测特征可将喷流驱动超新星与标准核坍缩超新星区分开来，特别是在元素丰度和光曲线方面？

主要发现

• 在快速旋转、强磁场的大质量恒星中，喷流驱动爆炸可产生高达标准核坍缩超新星十倍以上的动能，其数值与超新星一致。
• 这些事件可合成显著增强的56Ni质量——最高可达标准值0.01–0.1 M☉的数倍——导致观测到的超亮和超新星的高光度峰值。
• 喷流和磁化喷流中富含中子的条件允许有限的r-过程，使重核素（达第二和第三r-峰）得以生成，尽管产量仍不确定且对初始条件敏感。
• 高爆炸能量、增强的56Ni和富含中子的喷流物质使喷流驱动超新星成为早期星系r-过程富集的强有力候选者，尤其在低金属丰度环境中。
• 理论模型表明，由于对初始旋转和磁场的严格要求，此类事件较为稀少；但早期宇宙中质量损失减少，使这些条件更易满足。
• 尽管缺乏直接观测确认，星系化学演化数据支持稀有、短延迟时间事件（如喷流驱动超新星）在早期核合成中发挥了重要作用。

Figure 2: Overview of chosen physical inputs in different studies. Going inwards on the axis indicates a more approximate approach. Shown are the works of Tominaga et al. ( 2007 , grey) , Tominaga ( 2009 , brown) , Winteler et al. ( 2012 , blue) , Nishimura et al. ( 2015 , red) , Mösta et al. ( 2018