[论文解读] The Fallback Mechanisms in Core-Collapse Supernovae

Tsing-Wai Wong, Chris L. Fryer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文通过两颗大质量前身星的三维流体动力学模拟，研究了核心坍缩超新星中的 fallback 机制，表明反向激波减速在驱动 fallback 中起次要作用，而即时机制（如稀疏波减速和喷射物能量/动量损失）占主导地位。研究显示，fallback 可通过吸积加温、中微子湮灭和 Blandford-Znajek 过程驱动超亮超新星，峰值光度可达 10^50–10^52 erg/s。

ABSTRACT

Although the details of the core-collapse supernova mechanism are not fully understood, it is generally accepted that the energy released in the collapse produces a shock that disrupts the star and produces the explosion. Some of the stellar material does not receive enough energy to escape the potential well of the newly formed neutron star and it falls back on to the core. This fallback plays an important role in setting compact remnant masses and has been invoked to explain a number of observed phenomena: late-time neutrino emission, r-process element production, peculiar supernovae, and long-duration gamma-ray bursts. To examine the link between fallback and these observed phenomena, we must understand the nature of fallback and currently, multiple mechanisms have been proposed that lead to different characteristics of the fallback. In this paper, we model a series of three-dimensional explosions by following the fallback for two different massive progenitors to study both the nature of the fallback and the role of asymmetric explosions on this fallback. One of the most-cited mechanisms behind fallback argues that it is caused by the reverse shock produced when the outward moving supernova shock decelerates in the relatively flat density profile of the stellar envelope. We show that this mechanism plays a minor, if any, role in driving fallback and most supernova fallback is produced by prompt mechanisms.

研究动机与目标

• 确定导致核心坍缩超新星中 fallback 的主导物理机制。
• 评估不对称爆炸在塑造 fallback 动力学和残余质量形成中的作用。
• 评估 fallback 在驱动超亮超新星和长伽马射线暴方面的能量潜力。
• 检验反向激波减速机制是否为主要 fallback 驱动机制的有效性。
• 量化通过吸积加温、中微子湮灭和 Blandford-Znajek 机制的 fallback 能量沉积。

提出的方法

• 对两颗大质量前身星进行核心坍缩超新星的三维流体动力学模拟，追踪随时间的 fallback 情况。
• 采用即时机制（稀疏波减速和喷射物能量/动量损失）对 fallback 进行建模。
• 将反向激波减速作为对比机制纳入模型，以评估其在 fallback 中的作用。
• 利用三种 fallback 驱动机制估算爆炸光度：吸积加温、中微子湮灭（公式 5）和 Blandford-Znajek 辐射（公式 6）。
• 使用 Blandford-Znajek 公式，并基于能量密度平衡推导出的磁场强度（公式 7）。
• 通过模拟中峰值 fallback 率与光度估计的相关性，评估 fallback 驱动的爆炸光度。

实验结果

研究问题

• RQ1 反向激波减速与即时机制在核心坍缩超新星 fallback 中的相对贡献如何？
• RQ2 fallback 能量沉积在多大程度上可通过吸积加温、中微子湮灭或 Blandford-Znajek 过程驱动超亮超新星？
• RQ3 fallback 如何影响黑洞形成及长持续时间伽马射线暴的可能性？
• RQ4 fallback 可实现的最大爆炸光度是多少？其峰值何时出现，与 fallback 率的关系如何？
• RQ5 不对称爆炸如何影响 fallback 物质的分布与动力学？

主要发现

• 反向激波减速机制在驱动 fallback 中起次要作用，甚至可忽略，与早期假设相矛盾。
• 大部分 fallback 由即时机制驱动，包括稀疏波减速和喷射物能量/动量损失。
• fallback 可通过 Blandford-Znajek 机制沉积高达 10^52 erg/s 的能量，峰值光度可达 10^50–10^52 erg/s。
• 中微子湮灭光度在峰值 fallback 时可达 10^47–10^57 erg/s，具体取决于吸积率和自旋参数。
• 吸积加温可产生 10^48–10^50 erg/s 的爆炸光度，足以驱动超亮超新星。
• fallback 驱动的爆炸光度与峰值 fallback 率同时达到峰值，表明存在直接因果关系。