[论文解读] Nucleosynthesis-relevant conditions in neutrino-driven supernova outflows. II. The reverse shock in two-dimensional simulations

Almudena Arcones, Hans‐Thomas Janka|Max Planck Digital Library|Aug 4, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 54被引用 27

一句话总结

本研究首次对中微子驱动型超新星喷流进行了二维流体动力学模拟，完整追踪了从bounce后吸积到风膨胀并受早期喷射物影响的全过程。结果表明，超新星喷射物分布的各向异性导致反向激波位置和风条件出现显著的方位角差异，显著影响核合成相关参数，如密度、温度和膨胀速度。

ABSTRACT

After the initiation of the explosion of core-collapse supernovae, neutrinos emitted from the nascent neutron star drive a supersonic baryonic outflow. This neutrino-driven wind interacts with the more slowly moving, earlier supernova ejecta forming a wind termination shock (or reverse shock), which changes the local wind conditions and their evolution. Important nucleosynthesis processes (alpha-process, charged-particle reactions, r-process, and vp-process) occur or might occur in this environment. The nucleosynthesis depends on the long-time evolution of density, temperature, and expansion velocity. Here we present two-dimensional hydrodynamical simulations with an approximate description of neutrino-transport effects, which for the first time follow the post-bounce accretion, onset of the explosion, wind formation, and the wind expansion through the collision with the preceding supernova ejecta. Our results demonstrate that the anisotropic ejecta distribution has a great impact on the position of the reverse shock, the wind profile, and the long-time evolution. This suggests that hydrodynamic instabilities after core bounce and the consequential asymmetries may have important effects on the nucleosynthesis-relevant conditions in the neutrino-heated baryonic mass flow from proto-neutron stars.

研究动机与目标

• 研究核心坍缩超新星中中微子驱动风的长期演化，包括其与早期喷射物的相互作用。
• 确定多维流体不稳定性及各向异性喷射物分布对反向激波和风条件的影响。
• 评估这些流体动力学特征对r过程、νp过程和α过程等核合成过程的影响。
• 通过量化多维效应引起的激波结构和风特性变化，为未来核合成研究提供基础。

提出的方法

• 采用近似中微子输运模型的二维流体动力学模拟，以捕捉中微子加热效应。
• 追踪从bounce后吸积、爆炸启动、风形成，到与早期超新星喷射物相互作用的全过程演化。
• 利用Rankine-Hugoniot跃迁条件模拟反向激波的结构及倾角效应。
• 对比一维与二维径向分布，以分离喷射物压力和密度方位角变化的影响。
• 分析反向激波半径的方位角依赖性及其对风减速和准直化的影响。
• 采用Woosley & Heger的前身星模型，并使用Vertex-Prometheus代码计算早期演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 早期超新星喷射物的各向异性分布如何影响中微子驱动风中反向激波的位置和结构？
• RQ2 多维流体不稳定性对风密度、温度和膨胀速度的长期演化有何影响？
• RQ3 反向激波的方位角变化在多大程度上改变了r过程和νp过程相关的核合成条件？
• RQ4 在相同初始条件下，一维与二维模拟中激波特性及风剖面有何差异？
• RQ5 反向激波的倾角在受激风物质的准直化和减速过程中起什么作用？

主要发现

• 由于早期超新星喷射物中压力和密度分布的各向异性，反向激波半径表现出强烈的方位角依赖性。
• 在二维模拟中，风剖面变得不对称，不同方向的膨胀速度和热力学条件存在显著差异。
• 在反向激波弯曲区域的斜激波对物质减速效率较低，导致这些方向的受激流发生准直化。
• 反向激波的位置由风速、质量流出率和随角度变化的喷射物局部压力之间的平衡决定。
• 即使在相同的前身星和爆炸能量下，非球对称不稳定性混沌增长也会导致激波和风演化出现显著差异。
• 结果证实，一维模拟中观察到的前身星依赖性趋势（例如大质量恒星中激波膨胀更慢）在二维中依然存在，但叠加了大尺度的方位角变化。