[论文解读] Rotating Core Collapse and Bipolar Supernova Explosions

Adam Burrows, R. Walder+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2004

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 12

一句话总结

本文主张大质量恒星超新星主要由中微子加热驱动，而旋转则增强爆炸的非对称性并促成次级、非主导的喷流状喷射。利用一种新型二维多群通量限制辐射/流体动力学代码，研究显示旋转导致中微子通量和加热的各向异性，极区的熵和通量更高，支持一种包含旋转效应的中微子驱动机制，可能解释船帆座超新星（Cas A）和SN1987A中的双极形态。

ABSTRACT

We review some of the reasons for believing that the generic core-collapse supernova is neutrino-driven, not MHD-jet driven. We include a discussion of the possible role of rotation in supernova blast energetics and morphology, and speculate on the origin of Cas A's and SN1987A's ejecta fields. Two "explosive" phenomena may be associated with most core collapses, the neutrino-driven supernova itself and an underenergetic jet-like ejection that follows. The latter may be a magnetic wind that easily penetrates the debris created by the much more energetic supernova. We predict that many core-collapse supernova remnants should have sub-dominant jet-like features. In Cas A, we associate this sub-dominant collimated wind with the "jet/counter-jet" structure observed. We suggest that the actual Cas A explosion itself is at nearly right angles to this jet, along a rotation axis that coincides with the bulk of the ejecta, the iron lobes, and the putative direction of motion of the point source. It may be that when rotation becomes sufficiently rapid that the strong-neutrino-driven-supernova/weak-jet duality switches to a strong-MHD-jet scenario that might be associated with hypernovae, and in some cases GRBs. Finally, we present a calculation using a new 2D multi-group, flux-limited radiation/hydrodynamics code we have recently developed for the simulation of core-collapse supernovae. We discuss the rotation-induced anisotropy in the neutrino radiation field, neutrino heating, and the neutrino flux vectors and speculate on rotation's possible role in the supernova mechanism and in the overall supernova phenomenon.

研究动机与目标

• 评估核心坍缩超新星是否主要由中微子加热或磁流体动力学（MHD）喷流驱动，特别是在观测到的双极形态背景下。
• 研究旋转如何影响核心坍缩超新星中微子辐射场的各向异性、加热效率及爆炸非对称性。
• 利用包含旋转效应的中微子驱动机制，解释船帆座超新星（Cas A）中喷流/反喷流结构及SN1987A双极星云的起源。
• 开发并应用一种新型二维多群、通量限制辐射/流体动力学代码，模拟旋转对中微子输运和激波动力学的影响。
• 评估旋转是否能触发从中微子驱动爆炸向MHD喷流主导事件的转变，可能与超新星和伽马射线暴（GRBs）相关。

提出的方法

• 开发了一种新型二维多群、通量限制扩散（MGFLD）辐射/流体动力学代码，采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）重映射和隐式流体动力学方法。
• 该代码包含旋转效应、通量守恒，并符合扩散极限，可在轴对称几何下一致模拟中微子输运与流体动力学。
• 对15 M⊙的前体星（Woosley & Weaver 1995）进行了模拟，追踪坍缩、反弹、激波突破及中微子驱动对流阶段。
• 在关键的反弹后时间点，计算并可视化了中微子通量矢量、熵、电子分数（Yₑ）以及能量群依赖的中微子通量。
• 模型包含16个能量群的中微子，考虑了平流与通量各向异性，但尚未包含速度相关项（多普勒频移、光行差）及非弹性散射。
• 通过与冯·泽佩尔定理（von Zeipel’s theorem）及先前理论工作的对比，分析了旋转引起的中微子发射、加热与物质结构各向异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转如何影响核心坍缩超新星中微子辐射场和通量矢量的各向异性？
• RQ2 旋转引起的中微子加热非对称性是否可解释船帆座超新星（Cas A）和SN1987A中观测到的双极形态？
• RQ3 旋转在从中微子驱动爆炸向MHD喷流主导事件（如超新星和伽马射线暴）转变中起何作用？
• RQ4 在多维中微子输运条件下，包含旋转的中微子驱动机制在多大程度上可再现Ic型超新星的观测星云结构与偏振特征？
• RQ5 旋转与多维中微子输运如何影响爆炸机制的启动与持续性？

主要发现

• 旋转在外部核心诱导出类似长椭球的中微子能量密度分布，而在内部核心形成扁球状结构，与冯·泽佩尔定理一致。
• 中微子通量矢量在极区比赤道处更长，表明沿自转轴方向中微子发射与加热增强。
• 由于中微子加热导致的熵在极区高于赤道，支持旋转通过增强极区加热促进爆炸的可能性。
• 二维MGFLD模拟揭示，在反弹附近存在沿圆柱面旋转的桶状对流结构，由旋转与中微子驱动对流共同驱动。
• 早期反弹后，电子捕获率与Yₑ分布表现出强烈的各向异性，表明旋转影响核素组成与轻子输运。
• 结果表明，旋转可产生准双极爆炸，具有中等准直性（30–60°），并可能解释像Cas A这类遗迹中次级喷流状特征。