[论文解读] Thermonuclear explosions of Chandrasekhar-mass C+O white dwarfs

M. Reinecke, W. Hillebrandt+1 more|ArXiv.org|Dec 7, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 7被引用 7

一句话总结

本文利用一种新型有限体积法代码，对钱德拉塞卡质量的C+O白矮星进行了二维流体动力学模拟，通过水平集方法模拟湍流火焰传播和尖锐的燃烧前沿。尽管燃烧结构和湍流的处理较为准确，但中心点火的模拟仍保持束缚状态，而偏心点火仅产生较弱的爆炸，未能达到典型Ia型超新星的能量水平。

ABSTRACT

First results of simulations are presented which compute the dynamical evolution of a Chandrasekhar-mass white dwarf, consisting of equal amounts of carbon and oxygen, from the onset of violent thermonuclear burning, by means of a new two-dimensional numerical code. Since in the interior of such a massive white dwarf nuclear burning progresses on microscopic scales as a sharp discontinuity, a so-called flamelet, which cannot be resolved by any numerical scheme, and since on macroscopic scales the burning front propagates due to turbulence, we make an attempt to model both effects explicitly in the framework of a finite-volume hydrodynamics code. Turbulence is included by a sub-grid model, following the spirit of large eddy simulations, and the well-localized burning front is treated by means of a level set, which allows us to compute the geometrical structure of the front more accurately than with previous methods. The only free parameters of our simulations are the location and the amount of nuclear fuel that is ignited as an initial perturbation. We find that models in which explosive carbon burning is ignited at the center remain bound by the time the front reaches low densities, where we stopped the computations because our description of combustion is no longer applicable. In contrast, off-center ignition models give rise to explosions which, however, are still too weak for typical Type Ia supernovae. Possible reasons for this rather disappointing result are discussed.

研究动机与目标

• 模拟钱德拉塞卡质量C+O白矮星从剧烈热核燃烧开始的动力学演化过程。
• 解决在数值方法中解析大质量白矮星中亚网格火焰前沿与湍流燃烧的挑战。
• 确定中心点火或偏心点火是否能导致与Ia型超新星一致的爆炸性破坏。
• 评估湍流与火焰前沿几何形状在决定爆炸能量中的作用。

提出的方法

• 采用一种新型二维有限体积流体动力学代码，模拟白矮星点火后完整的动力学演化过程。
• 使用水平集方法追踪尖锐且定位清晰的燃烧前沿，其几何精度高于以往方法。
• 基于大涡模拟（LES）原理的亚网格尺度模型被引入，以考虑火焰传播中未解析的湍流效应。
• 初始条件仅指定核燃料点火的位置与数量，未对燃烧参数进行额外调优。
• 当燃烧前沿达到低密度区域时停止模拟，因为在该区域燃烧模型不再适用。
• 通过与已知物理约束对比并确保能量与质量守恒，对代码进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 2D流体动力学模拟能否准确模拟钱德拉塞卡质量C+O白矮星从爆燃到爆炸的过渡过程？
• RQ2 初始点火位置（中心 vs. 偏心）如何影响最终爆炸能量与残余物的束缚状态？
• RQ3 在白矮星爆炸背景下，亚网格与水平集技术在多大程度上可有效模拟湍流与火焰前沿几何形状？
• RQ4 为何中心点火的模拟尽管经历了剧烈燃烧，仍无法产生解束缚的残余物？
• RQ5 当前数值模型在再现观测到的Ia型超新星能量特性方面存在哪些局限性？

主要发现

• 中心点火的模拟产生束缚残余物，因为燃烧前沿尚未积累足够能量即可在低密度区域模型截止前实现恒星解束缚。
• 偏心点火可导致爆炸性破坏，但产生的爆炸能量过弱，无法匹配典型Ia型超新星的观测结果。
• 水平集方法比以往方法更准确地再现了火焰前沿的几何结构，提升了湍流燃烧中前沿追踪的精度。
• 亚网格湍流模型捕捉了大尺度湍流效应对火焰传播的影响，但仍是全尺度湍流的简化近似。
• 模拟结果仍保持束缚或弱解束缚状态，表明当前建模方法未能达到必要的爆炸能量水平。
• 作者指出，未解析的火焰动力学以及低密度区域燃烧建模不完整，是爆炸强度被低估的关键原因。