[论文解读] Pushing 1D CCSNe to explosions: model and SN 1987A

Albino Perego, Matthias Hempel+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 119被引用 45

一句话总结

本文提出PUSH方法——一种在球对称核心坍缩超新星模拟中通过与重味中微子通量成比例的增强能量沉积来触发中微子驱动爆炸的方法。该方法识别出一个初始质量为18.0 M⊙、紧凑度ξ₁.₇₅ = 0.463的演化前体星，其与SN 1987A一致，重现了其爆炸能量（1.092 Bethe）、⁵⁶Ni产量（0.073 M⊙）和吸积质量（0.1 M⊙），并预测了1.50 M⊙的引力中子星质量。

ABSTRACT

We report on a method, PUSH, for triggering core-collapse supernova explosions of massive stars in spherical symmetry. We explore basic explosion properties and calibrate PUSH such that the observables of SN1987A are reproduced. Our simulations are based on the general relativistic hydrodynamics code AGILE combined with the detailed neutrino transport scheme IDSA for electron neutrinos and ALS for the muon and tau neutrinos. To trigger explosions in the otherwise non-exploding simulations, we rely on the neutrino-driven mechanism. The PUSH method locally increases the energy deposition in the gain region through energy deposition by the heavy neutrino flavors. Our setup allows us to model the explosion for several seconds after core bounce. We explore the progenitor range 18-21M$_{\odot}$. Our studies reveal a distinction between high compactness (HC) and low compactness (LC) progenitor models, where LC models tend to explore earlier, with a lower explosion energy, and with a lower remnant mass. HC models are needed to obtain explosion energies around 1 Bethe, as observed for SN1987A. However, all the models with sufficiently high explosion energy overproduce $^{56}$Ni. We conclude that fallback is needed to reproduce the observed nucleosynthesis yields. The nucleosynthesis yields of $^{57-58}$Ni depend sensitively on the electron fraction and on the location of the mass cut with respect to the initial shell structure of the progenitor star. We identify a progenitor and a suitable set of PUSH parameters that fit the explosion properties of SN1987A when assuming 0.1M$_{\odot}$ of fallback. We predict a neutron star with a gravitational mass of 1.50M$_{\odot}$. We find correlations between explosion properties and the compactness of the progenitor model in the explored progenitors. However, a more complete analysis will require the exploration of a larger set of progenitors with PUSH.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效的数值方法，用于在球对称模拟中触发核心坍缩超新星爆炸，而这些模拟在自洽条件下无法实现爆炸。
• 将该方法校准至SN 1987A的观测特性，包括爆炸能量、⁵⁶Ni产量和残余质量。
• 探究在18–21 M⊙范围内，前体星紧凑度对爆炸动力学和核合成的影响。
• 评估吸积质量在调和模拟产量与SN 1987A观测结果之间的一致性中的可行性。
• 在1D框架下，识别出能重现SN 1987A关键观测量的前体星模型与PUSH参数。

提出的方法

• PUSH方法通过与局部重味中微子通量成比例的方式，在增益区人工增强能量沉积，从而在原本不会爆炸的模拟中触发爆炸。
• 模拟使用AGILE GR流体动力学代码，分别结合IDSA和ASL中微子输运方案来处理电子中微子和重味中微子。
• 爆炸的触发时间和强度由三个参数控制：启动时间（t_on）、上升时间（t_rise）和缩放因子（k_push）。
• 该方法应用于18–21 M⊙ ZAMS前体星模型，其紧凑度通过ξ₁.₇₅参数量化。
• 追踪质量截断位置和电子分数，以评估其对⁵⁷–⁵⁸Ni生成和核合成产量的影响。
• 根据与SN 1987A的爆炸能量、⁵⁶Ni产量和吸积质量的一致性，筛选出表现良好的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于中微子通量的人工触发方法（PUSH）是否能在球对称模拟中成功重现SN 1987A的爆炸能量和核合成产量？
• RQ2 前体星紧凑度（ξ₁.₇₅）如何影响PUSH框架下爆炸的触发时间、能量和残余质量？
• RQ3 为使模拟的⁵⁶Ni产量与SN 1987A的观测结果一致，需要多大的吸积质量？
• RQ4 通过调整质量截断位置相对于前体星壳层结构的位置，能否重现SN 1987A中观测到的⁵⁷–⁵⁸Ni产量？
• RQ5 在PUSH方法下，与SN 1987A观测量一致的前体星模型所预测的中子星质量是多少？

主要发现

• 初始质量为18.0 M⊙、ξ₁.₇₅ = 0.463，且PUSH参数为（t_on = 80 ms，t_rise = 200 ms，k_push = 3.5）的前体星模型最能重现SN 1987A的观测量。
• 爆炸能量为1.092 Bethe，与SN 1987A观测到的1 Bethe一致。
• ⁵⁶Ni产量为0.073 M⊙，需通过0.1 M⊙的吸积质量来匹配观测结果。
• 中子星具有1.50 M⊙的引力质量，对应1.66 M⊙的重子质量。
• ⁴⁴Ti产量在模型中偏低，但核反应速率的不确定性和喷射物混合效应可能减小该差异。
• 为实现接近1 Bethe的爆炸能量，需ξ₁.₇₅ > 0.45（高紧凑度）的模型；而低紧凑度模型则更早爆炸，但能量较低。