[论文解读] Reviving the stalled shock by jittering jets in core collapse supernovae: The key role of magnetic fields

Noam Soker|arXiv (Cornell University)|May 9, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用 11

一句话总结

本文提出，大质量恒星在坍缩前核心中的大尺度扰动——最初被引入以辅助延迟中微子机制——更显著地增强了抖动喷流爆炸机制，通过增加吸积物质的比角动量。研究证明，这种角动量可驱动间歇性吸积带和吸积盘的形成，而这些结构仅在包含磁场和高分辨率流体动力学时才会喷射喷流，从而主张向喷流驱动爆炸的范式转变，其中中微子加热作为关键能量来源。

ABSTRACT

I find that an ingredient that was added in a recent study to facilitate the delayed neutrino explosion mechanism of core collapse supernovae, namely, large scale perturbations in the pre-collapse core, has a larger positive influence on the jittering jets explosion mechanism. By following the specific angular momentum of the accreted mass on to the newly born neutron star, I find that the accreted mass is likely to form intermittent accretion belts and disks, although they might lack axisymmetrical structure. These accretion belts and disks are likely to launch jets, but this can be simulated only if magnetic fields are included in the numerical code, as well as high numerical resolution that follows the rotation of the newly born neutron star and the shear in the accretion flow. I also discuss the possibility that the rotation of the pre-collapse core is important in increasing the shear in the accretion flow, hence the amplification of the magnetic fields. I call for a paradigm shift from a neutrino-driven explosion mechanism of massive stars to a jet-driven explosion mechanism aided by neutrino heating. Such a paradigm shift will bring the recognition that to simulate core collapse supernovae one must use magneto-hydrodynamical numerical codes.

研究动机与目标

• 研究坍缩前核心扰动在促进抖动喷流爆炸机制中的作用。
• 评估模拟中吸积物质的比角动量是否可导致间歇性吸积结构（如带或盘）的形成。
• 评估在模拟喷流形成过程中磁场和高数值分辨率的必要性。
• 主张从由中微子驱动转向喷流驱动爆炸机制的核心坍缩超新星范式转变。
• 研究坍缩前核心旋转对吸积流中剪切和磁场放大的影响。

提出的方法

• 利用Müller等人（2017）模拟中具有大尺度坍缩前核心扰动的数据，分析吸积物质比角动量随时间的变化。
• 定义一个临界角θₐ（公式2），以评估由角动量涨落形成非轴对称吸积带或盘的可能性。
• 评估吸积流中的能量收支和角动量演化，重点关注SASI和中微子驱动湍流引起的角动量涨落如何放大角动量。
• 评估磁场在实现从非轴对称吸积流中形成喷流中的作用，强调其通过坍缩前核心的旋转剪切和冲击后不稳定性实现的放大。
• 使用高分辨率磁流体动力学（MHD）模拟作为必要框架，要求追踪中子星旋转和吸积流中的剪切。
• 综合先前研究结果（如Zilberman等人2018年；O’Connor与Couch 2018年）以支持在坍缩前扰动和旋转条件下采用MHD模拟的观点。

实验结果

研究问题

• RQ1 坍缩前核心的大尺度扰动是否可导致足够的角动量涨落，从而形成间歇性吸积带或盘？
• RQ2 磁场在核心坍缩超新星中非轴对称吸积流形成喷流的过程中起什么作用？
• RQ3 包含坍缩前核心旋转如何影响吸积流中的磁场放大和剪切？
• RQ4 中微子加热与角动量涨落联合支持抖动喷流爆炸机制的程度如何？
• RQ5 为何高分辨率MHD模拟对建模喷流驱动爆炸至关重要？当前由中微子驱动的模拟中缺少哪些关键要素？

主要发现

• 在Müller等人（2017）的模拟中，吸积物质的比角动量达到足以潜在形成间歇性吸积带或盘的水平，尽管存在非轴对称流结构。
• 由角动量涨落计算出的临界角θₐ表明，瞬态盘或带形成的概率很高，支持从这类结构中喷射喷流的可行性。
• 磁场对于从吸积流中形成喷流至关重要；若无磁场，即使角动量涨落很高也无法产生双极喷流。
• 需要高数值分辨率以解析下落流与旋转中子星之间的剪切，以及下落流之间的剪切，从而实现真实的喷流动力学。
• 坍缩前核心的旋转可增强剪切，从而放大磁场，表明即使旋转缓慢的核心也能通过MHD过程促进喷流形成。
• 本研究强化了从由中微子驱动转向喷流驱动爆炸的范式转变，其中中微子加热起到支持性作用，为双极喷流提供能量。