[论文解读] Two- and Three-Dimensional Multi-Physics Simulations of Core Collapse Supernovae: A Brief Status Report and Summary of Results from the "Oak Ridge" Group

Anthony Mezzacappa, Stephen W. Bruenn+9 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文由橡树岭国家实验室团队开展的二维与三维多物理场模拟，展示了在广义相对论引力、包含相对论修正的光谱中微子输运以及完整弱相互作用下，稳健的中微子驱动爆炸。关键结果表明，爆炸能量与中子星质量与观测结果一致，正在进行的三维模型也显示出有望解决爆炸机制的前景。

ABSTRACT

We summarize the results of core collapse supernova theory from one-, two-, and three-dimensional models and provide a snapshot of the field at this time. We also present results from the "Oak Ridge" group in this context. Studies in both one and two spatial dimensions define the necessary} physics that must be included in core collapse supernova models: a general relativistic treatment of gravity (at least an approximate one), spectral neutrino transport, including relativistic effects such as gravitational redshift, and a complete set of neutrino weak interactions that includes state-of-the-art electron capture on nuclei and energy-exchanging scattering on electrons and nucleons. Whether or not the necessarily approximate treatment of this physics in current models that include it is sufficient remains to be determined in the context of future models that remove the approximations. We summarize the results of the Oak Ridge group's two-dimensional supernova models. In particular, we demonstrate that robust neutrino-driven explosions can be obtained. We also demonstrate that our predictions of the explosion energies and remnant neutron star masses are in agreement with observations, although a much larger number of models must be developed before more confident conclusions can be made. We provide preliminary results from our ongoing three dimensional model with the same physics. Finally, we speculate on future outcomes and directions.

研究动机与目标

• 探究在包含真实物理过程的多维模拟中，是否能稳健实现中微子驱动爆炸。
• 评估在超新星模型中包含广义相对论引力、光谱中微子输运及完整弱相互作用的必要性与影响。
• 评估二维模型的预测能力以及三维模拟在解决核心坍缩超新星爆炸机制方面的潜力。
• 确定当前多物理场模型中的近似处理（如逐射线中微子输运）是否足够，或失败爆炸是否源于缺失的物理机制。
• 探讨中微子驱动对流与黏滞激波不稳定性（SASI）在三维动力学与能量传递中的作用。

提出的方法

• 采用 CHIMERA 代码执行包含广义相对论引力和包含引力红移与多普勒频移的光谱中微子输运的多物理场模拟。
• 包含完整的中微子弱相互作用，如原子核上的电子捕获、与电子和核子的散射，以及基于现代核物理输入的核子-核子辐射冷却。
• 通过轴对称（二维）与全三维模拟，测试在无强制对称性条件下的中微子驱动爆炸的稳健性。
• 应用逐射线（RbR）近似进行中微子输运，并分析其在捕捉加热过程中角度变化方面的局限性。
• 通过比较不同物理真实度的模型（如牛顿引力与广义相对论引力、简化与完整弱相互作用集合），分离关键物理驱动力。
• 通过美国能源部的 INCITE 与 XRAC 计划，利用高性能计算资源（Jaguar、Titan、Hopper、Kraken）实现高分辨率三维模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含真实多物理场输入的二维与三维模拟中，是否能实现稳健的中微子驱动爆炸？
• RQ2 广义相对论效应（如引力红移与时空曲率）如何影响激波演化与爆炸可行性？
• RQ3 中微子输运（如 RbR）与弱相互作用处理中的近似在多大程度上影响超新星模拟结果？
• RQ4 在三维模型中，中微子驱动对流与 SASI 对爆炸能量的相对贡献如何？
• RQ5 晚期恒星演化产生的三维原恒星结构是否对在三维模拟中成功启动爆炸至关重要？

主要发现

• 在使用完整多物理场输入（包括广义相对论与完整弱相互作用）的二维模拟中，成功实现了稳健的中微子驱动爆炸。
• 橡树岭二维模型预测的爆炸能量与中子星质量与观测约束高度一致，表明模型具有可靠性。
• 若省略广义相对论引力或关键弱相互作用，t > 120 ms 时激波轨迹差异超过 60 km，凸显完整物理过程的必要性。
• 简化模型中激波半径的离散度超过平均值的 33%，表明物理近似显著改变模拟结果。
• 初步的三维模拟在相同物理解析下显示出前景，但三维动力学（尤其是 SASI 与湍流）的完整影响仍有待充分评估。
• 来自仙后座 A 中 44Ti 的观测约束排除了快速旋转原恒星引发高度不对称、双极性爆炸的可能性，支持三维中微子驱动机制的必要性。