[论文解读] Nucleosynthesis-relevant conditions in neutrino-driven supernova outflows. I. Spherically symmetric hydrodynamic simulations

Almudena Arcones, Hans‐Thomas Janka+1 more|ArXiv.org|Dec 20, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 42被引用 108

一句话总结

本研究通过球对称流体动力学模拟，探究了中微子驱动型超新星喷流中的核合成条件。研究发现，超音速喷流与较慢喷射物碰撞形成的反向激波显著提高了熵值——在低质量前身星中，熵超过每核子400 $k_{\mathrm{B}}$——这可能促进强效r-过程核合成，且条件高度依赖于前身星质量与爆发动力学。

ABSTRACT

We investigate the behavior and consequences of the reverse shock that terminates the supersonic expansion of the baryonic wind which is driven by neutrino heating off the surface of (non-magnetized) new-born neutron stars in supernova cores. To this end we perform long-time hydrodynamic simulations in spherical symmetry. In agreement with previous relativistic wind studies, we find that the neutrino-driven outflow accelerates to supersonic velocities and in case of a compact, about 1.4 solar mass (gravitational mass) neutron star with a radius of about 10 km, the wind reaches entropies of about 100 k_B per nucleon. The wind, however, is strongly influenced by the environment of the supernova core. It is decelerated and shock-heated abruptly by a termination shock that forms when the supersonic outflow collides with the slower preceding supernova ejecta. The radial position of this reverse shock varies with time and depends on the strength of the neutrino wind and the different conditions in progenitor stars with different masses and structure. Its basic properties and behavior can be understood by simple analytic considerations. We demonstrate that the entropy of matter going through the reverse shock can increase to a multiple of the asymptotic wind value. Seconds after the onset of the explosion it therefore can exceed 400 k_B per nucleon. The temperature of the shocked wind has typically dropped to about or less than 10^9 K, and density and temperature in the shock-decelerated matter continue to decrease only very slowly. Such conditions might strongly affect the important phases of supernova nucleosynthesis in a time and progenitor dependent way. (abridged)

研究动机与目标

• 理解反向激波对超新星喷流中中微子驱动喷流条件的影响。
• 评估前身星质量与爆发动力学如何影响受激波影响的喷流物质中的熵、温度与密度。
• 在不同天体物理条件下，评估中微子驱动喷流进行r-过程核合成的潜力。
• 确定反向激波是否能形成足够高熵、低-$Y_\mathrm{e}$的环境，以实现稳健的r-过程生成。
• 探讨终止激波在时间与前身星依赖性方面对核合成产物的塑造作用。

提出的方法

• 对原中子星（质量约1.4 $M_\odot$，半径约10 km）的中微子驱动喷流进行长期、球对称的流体动力学模拟。
• 模拟超音速喷流与较慢超新星喷射物碰撞时反向激波的形成与演化。
• 运用解析方法解释终止激波的行为与特性。
• 基于原中子星的物理特性，纳入真实的中微子加热与喷流动力学。
• 追踪受激波影响的喷流物质中熵、温度、密度与电子分数（$Y_\mathrm{e}$）随时间的演化。
• 通过不同质量前身星的对比，评估喷流条件对前身星质量的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 反向激波如何影响中微子驱动型超新星喷流中的熵与热力学条件？
• RQ2 反向激波的位置与强度如何依赖于前身星质量与爆发动力学？
• RQ3 受激波影响的喷流是否能达到足以实现r-过程核合成的熵水平，特别是超过每核子400 $k_{\mathrm{B}}$？
• RQ4 受激波影响的喷流中温度与密度如何随时间演化，其对核合成有何影响？
• RQ5 喷流的核合成潜力在多大程度上受前身星结构与爆发 timescale 的影响？

主要发现

• 在低质量前身星（约10 $M_\odot$）中，爆炸后数秒内，反向激波使喷流物质的熵增加至每核子400 $k_{\mathrm{B}}$ 以上。
• 在低质量前身星中，反向激波形成较早且向外传播迅速，形成有利于r-过程核合成的高熵条件。
• 在核心更致密的高质量前身星中，反向激波停留在较小半径处，影响喷流的温度与密度更高，可能在不同条件下实现核合成。
• 受激波影响的喷流温度降至约10^9 K或以下，且在激波通过后，密度与温度仅缓慢下降。
• 反向激波的特性及其对喷流的影响强烈依赖于时间和前身星类型，表明不同超新星的核合成产物可能各不相同。
• 球对称喷流模型可能更准确地反映喷流的晚期稳定阶段，此时r-过程条件可能比湍流早期阶段更稳定。