[论文解读] Thermonuclear explosion of rotating massive stars could explain core-collapse supernovae

Doron Kushnir|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 18

一句话总结

本文提出，核心坍缩超新星（CCSNe）由旋转的大质量恒星中点燃的热核爆轰波驱动，这些恒星具有缓慢旋转的氦-氧混合包层。二维流体动力学模拟表明，此类构型可导致稳定且高能的爆炸，动能为10⁴⁹–10⁵² erg，⁵⁶Ni产量高达约1 M☉，与观测到的CCSNe特性一致，并解释了爆炸能量与⁵⁶Ni质量之间的相关性。

ABSTRACT

It is widely thought that core-collapse supernovae (CCSNe), the explosions of massive stars following the collapse of the stars' iron cores, is obtained due to energy deposition by neutrinos. So far, this scenario was not demonstrated from first principles. Kushnir and Katz (2014) have recently shown, by using one-dimensional simulations, that if the neutrinos failed to explode the star, a thermonuclear explosion of the outer shells is possible for some (tuned) initial profiles. However, the energy released was small and negligible amounts of ejected $^{56}$Ni were obtained, implying that these one-dimensional collapse induced thermonuclear explosions (CITE) are unlikely to represent typical CCSNe. Here I provide evidence supporting a scenario in which the majority of CCSNe are the result of CITE. I use two-dimensional simulations to show that collapse of stars that include slowly (few percent of breakup) rotating $\sim0.1-10\,M_{\odot}$ shells of mixed helium-oxygen, leads to an ignition of a thermonuclear detonation wave that unbinds the stars' outer layers. Simulations of massive stars with different properties show that CITE is a robust process, and results in explosions with kinetic energies in the range of $10^{49}-10^{52}\, extrm{erg}$, and $^{56}$Ni yields of up to $\sim\,M_{\odot}$, which are correlated, in agreement with observations for the majority of CCSNe. Stronger explosions are predicted from higher mass progenitors that leave more massive remnants, in contrast to the neutrino mechanism. Neutron stars are produced in weak ($\lt10^{51}\, extrm{erg}$) explosions, while strong ($\gt10^{51}\, extrm{erg}$) explosions leave black hole remnants.

研究动机与目标

• 解决核心坍缩超新星如何达到观测到的爆炸能量（约10⁵¹ erg）和⁵⁶Ni质量这一长期存在的问题。
• 检验在先前一维模型未能产生足够能量或⁵⁶Ni的情况下，坍缩诱导的热核爆炸（CITE）是否能解释典型的CCSNe。
• 研究旋转和成分（特别是He-O混合物）在核心坍缩期间促进稳定爆轰点火中的作用。
• 确定CITE产生与观测到的CCSNe中动能与⁵⁶Ni质量之间相关性的爆炸条件。
• 根据爆炸能量预测残余物质量（中子星与黑洞），并与中微子驱动机制进行对比。

提出的方法

• 使用CASTRO代码进行二维全分辨率流体动力学模拟，模拟具有旋转He-O包层的大质量恒星的坍缩与爆炸。
• 初始结构以恒定熵、恒定成分和流体静力平衡构建，包含一个1.2 M☉的铁核心和一个0.1–10 M☉的He-O包层，密度约为几×10³ g cm⁻³。
• 模拟追踪热力学和核能释放的演化，重点关注热核爆轰波的点火与传播。
• 关键参数是包层底部燃烧时间与自由落体时间之比（t_b/t_ff），该比值决定了爆轰点火的可能性。
• 发现混合氦-氧是爆轰点火的必要条件，此前无此类混合物的研究未能产生爆炸。
• 从爆炸后的抛射物中计算爆炸能量和⁵⁶Ni产量，并将其与光曲线观测数据进行相关性比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在旋转大质量恒星中，坍缩诱导的热核爆炸（CITE）能否产生动能和⁵⁶Ni产量与观测到的核心坍缩超新星一致的爆炸？
• RQ2 混合氦-氧包层的存在在核心坍缩期间促进爆轰点火中起什么作用？
• RQ3 CITE机制对初始结构参数（如包层质量、密度和旋转速率）的变化是否具有鲁棒性？
• RQ4 CITE机制是否能自然解释观测到的CCSNe中动能与⁵⁶Ni质量之间的相关性？
• RQ5 CITE机制能否根据爆炸能量预测超新星残余物是中子星还是黑洞？

主要发现

• 二维模拟表明，缓慢旋转（约为破裂速度的百分之几）的大质量恒星，若具有0.1–10 M☉的He-O包层，可点火形成热核爆轰波，使外层物质被抛射。
• 由此产生的爆炸动能范围为10⁴⁹–10⁵² erg，与观测到的核心坍缩超新星的能量分布一致。
• ⁵⁶Ni产量可达约1 M☉，且动能与⁵⁶Ni质量之间存在强烈相关性，与观测光曲线数据一致。
• 更强的爆炸（≥10⁵¹ erg）来自更高质量的前身星，导致黑洞残余物，而较弱的爆炸（<10⁵¹ erg）则形成中子星。
• 混合氦-氧是爆轰点火的必要条件；此前无此类混合物的研究未能产生爆炸。
• CITE机制在广泛初始结构参数范围内均表现鲁棒，表明其是解释绝大多数核心坍缩超新星的可行且普适的机制。