[论文解读] Stellar evolution with rotation XII: Pre-supernova models

Raphaël Hirschi, G. Meynet+1 more|ArXiv.org|Jun 24, 2004

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 34被引用 157

一句话总结

本文使用更新后的日内瓦恒星演化代码，对旋转的大质量恒星（12–60 M☉）进行了超新星爆发前的模型研究，引入了旋转诱导的混合过程（大尺度环流、缓变与动力剪切不稳定性）以及扩展的α链核反应网络。主要发现是，旋转显著改变了预超新星结构，特别是在15至30 M☉之间：核心尺寸增大约1.5倍，前身星颜色由红超巨星转变为蓝超巨星，超新星类型由II型变为Ib/c型，这些变化主要源于氢和氦燃烧阶段的旋转效应，而非晚期阶段的不稳定性。

ABSTRACT

We describe the latest developments of the Geneva stellar evolution code in order to model the pre-supernova evolution of rotating massive stars. Rotating and non-rotating stellar models at solar metallicity with masses equal to 12, 15, 20, 25, 40 and 60 solar masses were computed from the ZAMS until the end of the core silicon burning phase. We took into account meridional circulation, secular shear instabilities, horizontal turbulence and dynamical shear instabilities. Most of the differences between the pre-supernova structures obtained from rotating and non-rotating stellar models have their origin in the effects of rotation during the core hydrogen and helium burning phases. The effects of rotation on pre-supernova models are significant between 15 and 30 solar masses. Indeed, rotation increases the core sizes (and the yields) by a factor ~ 1.5. Above 20 solar masses, rotation may change the colour of the supernova progenitors (blue instead of red supergiant) and the supernova type (Ib instead of II). Rotation affects the lower mass limits for radiative core carbon burning, for iron core collapse and for black hole formation. For Wolf-Rayet stars (M > 30 solar masses), the pre-supernova structures are mostly affected by the intensities of the stellar winds and less by rotational mixing. Finally, the core of our rotating WR stars contain enough angular momentum to produce GRBs.

研究动机与目标

• 将日内瓦恒星演化代码扩展，以模拟大质量恒星在核心氦燃烧之后的预超新星演化过程。
• 研究旋转混合过程（大尺度环流、缓变与动力剪切不稳定性）在高级燃烧阶段对内部结构和角动量分布的影响。
• 确定旋转对太阳金属丰度下预超新星核心质量、前身星半径、颜色及超新星类型的影响。
• 对比旋转与非旋转模型，评估旋转在改变核心塌缩条件和核合成产物中的作用。
• 评估旋转恒星中铁核心塌缩及黑洞形成的最低质量极限，尤其关注12 M☉附近的情况。

提出的方法

• 将核反应网络扩展至包含13个α链核素（从12C至56Ni），采用Arnett & Truran（1969）的方法，实现丰度演化的稳定与快速积分。
• 应用Sugimoto的离散化方案，在高级演化阶段稳定内部结构方程，防止数值不稳定性。
• 引入旋转混合过程：缓变剪切、大尺度环流以及动力剪切不稳定性，其中动力剪切作用旨在平滑角速度梯度。
• 采用Schwarzschild判据判断对流稳定性，并在氢和氦燃烧核心中引入0.1 H_P的过冲。
• 通过44Ti与48Cr之间的瓶颈反应解析硅燃烧阶段的能量产生，其余重元素假设处于核统计平衡状态。
• 计算了太阳金属丰度下12、15、20、25、40和60 M☉恒星从ZAMS到核心硅燃烧结束的模型，包括旋转与非旋转情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转混合过程如何影响大质量恒星预超新星演化过程中的内部角动量与化学结构？
• RQ2 动力剪切不稳定性在高级演化阶段对角动量或化学物质的长距离输运程度如何？
• RQ3 旋转如何改变大质量恒星在核心塌缩前的核心尺寸、前身星半径与颜色？
• RQ4 旋转对铁核心塌缩及黑洞形成的最低质量极限有何影响？
• RQ5 在核心质量、核合成产物及超新星类型（II型与Ib/c型）方面，旋转与非旋转预超新星模型有何差异？

主要发现

• 动力剪切不稳定性主要作用是平滑陡峭的角速度梯度，但对角动量或化学物质的长距离输运影响甚微。
• 在15–30 M☉范围内，旋转使核心尺寸增大约1.5倍，显著改变核合成产物与前身星结构。
• 对于15至30 M☉的恒星，旋转可使前身星形态由红超巨星转变为蓝超巨星，从而导致超新星类型由II型变为Ib/c型。
• 旋转对预超新星结构的影响主要源于氢和氦燃烧阶段；晚期阶段的不稳定性对角动量演化影响极小。
• 核心氦燃烧之后，最终角动量得以良好保留，从而可可靠估算塌缩前的角动量。
• 旋转模型表明，相较于非旋转模型，铁核心塌缩的最低质量极限更低，当包含旋转混合时，甚至在12 M☉时也可能发生塌缩。