[论文解读] Possible indications for jittering jets in core collapse supernova explosion simulations

Noam Soker|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 11被引用 8

一句话总结

本文基于3D流体动力学模拟提供了证据，表明在核心坍缩超新星爆发中，即使没有磁场，由于随机角动量吸积，也可能产生方向不断变化的喷流（抖动喷流）。关键发现是高角动量吸积与诊断爆炸能量迅速增加之间存在强烈正相关，暗示中微子加热与角动量之间存在相互反馈，从而驱动爆炸性喷流活动。

ABSTRACT

I analyse recent three-dimensional hydrodynamical simulations of exploding core collapse supernovae (CCSNe) and find that a rapid increase in the diagnostic explosion energy occurs parallel to, or very shortly after, the accretion of gas with relatively large amount of angular momentum and/or specific angular momentum. The tendency towards a positive correlation between angular momentum accretion and the increase in the explosion energy appears despite the absence of magnetic fields in the simulations. I speculate that the inclusion of magnetic fields would make this positive correlation much stronger and would increase the explosion energy. At times, the high angular momentum accretion leads to a bipolar outflow that in some cases changes directions. I argue that there is a mutual influence between neutrino heating and stochastic angular momentum, and that both operate together to explode the star with bipolar outflows that change directions, namely, jittering jets. This study calls for a deep flow analysis of simulations of CCSNe, e.g., to present the flow structure, the density, and the angular momentum of the flow near the newly born neutron star (NS).

研究动机与目标

• 调查3D核心坍缩超新星模拟中角动量吸积是否与诊断爆炸能量的增加相关。
• 评估观察到的能量脉冲和双极喷流是否表明存在抖动喷流，尽管模拟中未包含磁场。
• 探索中微子加热与随机角动量之间的相互作用，以解释不对称且随时间变化的喷流。
• 倡导未来模拟中进行深度流场分析，重点关注新生中子星附近的角动量、密度和流场结构。
• 主张中微子加热与角动量涨落的结合可解释具有喷流特征的观测超新星遗迹，如蟹状星云和维拉星云。

提出的方法

• 分析了Müller等人（2017, 2018, 2019）的3D流体动力学模拟，包括有和无预坍缩扰动的情况，以追踪重子质量、角动量和诊断爆炸能量的演化。
• 使用角动量分量的时间导数计算吸积气体的单位角动量：$ j = (j_x^2 + j_y^2 + j_z^2)^{1/2} $，其中 $ j_i = dJ_i / dM_{\text{by}} $。
• 将诊断爆炸能量的时间增加与单位角动量的峰值及角动量矢量变化相关联。
• 检查熵图和喷流形态（如图5和图6），以识别双极喷流的方向变化，将其解释为抖动喷流的证据。
• 使用观测类比（如蟹状星云和维拉星云，其脉冲星自转轴方向有“耳状”结构）来支持喷流诱导形态特征的合理性。
• 提出中微子加热与角动量涨落协同作用，即使在无磁性条件下，也能通过热压力和激波动力学驱动爆炸。

实验结果

研究问题

• RQ1 在核心坍缩超新星模拟中，高角动量吸积与诊断爆炸能量增加之间是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 在无显式磁场的模拟中，方向不断变化的双极喷流（抖动喷流）是否能够出现？
• RQ3 中微子加热与随机角动量涨落联合驱动非对称爆炸动力学的程度如何？
• RQ4 预坍缩扰动如何影响角动量驱动的能量脉冲及喷流状喷流的触发与演化？
• RQ5 观测到的角动量与加热之间的相互作用对一维模型有何影响，以及对观测超新星遗迹的解释有何启示？

主要发现

• 即使在无磁场的模拟中，也观察到吸积气体单位角动量的峰值与诊断爆炸能量迅速增加之间存在明确的正相关。
• 双极喷流的方向变化——通过熵图和密度图中轴线的偏移得以体现——与高角动量吸积同步发生，表明存在抖动喷流行为。
• 模拟表明，即使预坍缩核心的净角动量为零，高角动量吸积仍可导致瞬态、非对称喷流的形成，其形态类似喷流。
• Müller等人（2019）的图6中观察到的具有方向变化的双极喷流，为无磁场条件下存在抖动喷流提供了视觉证据。
• 本研究表明，中微子加热与角动量涨落协同作用可驱动爆炸，后者可能增强前者的影响。
• 结果表明，未来在中子星附近采用高分辨率并包含预坍缩扰动的磁流体动力学模拟，可能实现超过$10^{52}$ erg的爆炸能量，与观测结果一致。