2014/3/3 HPCI戦略プログラム分野5全体シンポジウム＠秋葉原

超新星の３次元回転爆発
滝脇知也（国立天文台）
固武慶（福岡大学）
諏訪雄大（京都大学）
チューニング：似鳥啓吾（理研）
牧野淳一郎（東工大 理研）

分野５と超新星爆発、重要性
ビッグバン
構造形成（課題４）星形成
銀河形成へFB

次世代観測機器
核力（課題１）
原子核（課題２）
ニュートリノ

超新星爆発（課題３）

分野５、総動員で挑む課題！

星の一生と最期の大爆発~0.5Gm白色矮星（シリウス）
ガス雲

主系列星（例えば太陽）

軽い星は長寿~100億年
重い星は短命~1000万年~10km~100Gm

超新星残骸(Cas A)
中性子星（パルサー）やブラックホール

超新星爆発（1987A）

赤色巨星(アンタレス)

超新星爆発のメカニズム（１）重力不安定になった鉄のコアがつぶれる（２）密度が高くなり中心に中性子星ができる
つぶれるのが急にとまるので衝撃波が伝搬（３）衝撃波を中性子星から出たニュートリノで温めることで元気にし、中性子星の外側を吹っ飛ばす
ここが難しい！

鉄コア

中性子星と衝撃波

ニュートリノ加熱と広がる衝撃波

超新星爆発の研究の現状
 星の形状を球対称を仮定

Sumiyoshi+ 05＝＞超新星は爆発しない 星の形状を軸対称に仮定＝＞爆発することもある＝＞混合が重要である
 軸対称の対流は不自然＝＞３次元では？
爆発するのか？
何が重要？

Marek & Janka 2009

超新星のニュートリノ爆発、基礎
熱混合により、熱が外に行く

冷却優性

加熱優性
衝撃波

半径

単純にはアクリーション vs ルミノシティ
詳細には混合が重要
中心ほど熱く、加熱はゲイン半径付近で強い、衝撃波の直下を温めるには物をかきまぜるのが非常に有効

３次元計算のモデル
重い親星は質量降着率が高い
Initial angularvelocitys11.2

N13s270 rad/s

Performed

Performed

Performed

0.3rad/s

Performed

0.5ras/s-Performed

1.0rad/s

PerformedPerformed

Performed

2.0rad/s

Performed

performed

Performed

計算効率の良いIDSAで11(+3)モデル計算できた。

軽い親星が対流で爆発する結果は何度か報告したので省略して重い親星の結果を話す。

s27 Ω=0rad/s
Failed(or need long-term sim.)

EoS：LS-K220

resolution：
384(r)x64(θ)x128(φ)

Neutrino Transport：
Ray-by-Ray:IDSA+Leakage

Hydro:
HLLE, 2nd orderStanding Accretion Shock Instability(SASI)
Pressure Wave

Advective-acoustic cycle
From Foglizzo’s slides

Vorticity Wave

Scheck+ 2008

s27 Ω=2.0rad/s
Explode !
SpiralDominant
EoS：LS-K220

resolution：
384(r)x64(θ)x128(φ)
Neutrino Transport：
Ray-by-Ray:IDSA+Leakage

Hydro:
HLLE, 2nd orderSpiral SASI Mode

Blondin+2007
Top: angler velocity, red->rapid, black-> slow
Left: pressure , blue->higher, white->lower

Liner analysis of spiral mode
growth rate

Blondin+2007
Specific angular momentum
Yamasaki+2008
Liner analysis inCylindrical geometry

Rapid Rotation=> Rapid growth rate

s27 Ω=2.0rad/s 2D
Non Explode !
3D effect is important

EoS：LS-K220Ｘ
resolution：
384(r)x128(θ)
Neutrino Transport：
Ray-by-Ray:IDSA+Leakage
Hydro:
HLLE, 2nd orderShape of the explosion？
Strongexpansion
is found atequatorialplaneDoes rotation affect the shock revival?
Rapid rotation

s１１．２

s27.0
Rapid rotation

N１３

1D=> no shock revival
s11.2 : No
N13 : Yess27 : Yes

Shape of the explosion
Strongrotations11.2R0

N13R2.0

S27.0R2.0

Low-mass accretion
Neutrino driven convection
High- mass accretionspiral SASI
High Mass accretion rate

残された不定性1.

ニュートリノ反応、輸送法の精密化＝＞
長倉さん

2.

状態方程式の精密化（ハイペロン、多くの核種、軽元素）＝＞課題１、課題２

3.

一般相対性理論の効果（よりコンパクトで高エネルギーのニュートリノの放射）＝＞木内さん、関口さん

Average Energy[MeV]Luminosity[10^51erg/s]

More complete set of Neutrinos Reactions

TimeLiebendoerfer et al 2005

Time

Our newest version of IDSA

Sn and VE

ecp,aecp,eca,csc,nsc,pap,nes,nbr

General relativistic simulation

Newtonian Gravity

For simple spherical computation, the result is ratherconsistent.

Comparison of the shock radius～ニュートニアン～ＧＲMarek et al. 2006

我々のこれまでの計算はニュートリノ反応をフルにしたものに比べ、楽観的な予想になっている。
ただし、新しいものはむしろ悲観的な予想に。
“ちょうど良い“現実的な計算には、ν反応、ν輸送、ＧＲすべての精密化が必要Summary軽い星
対流による爆発
多バブルの爆発

軽い回転星
Spiral SASIと対流による爆発
バイポーラ―に爆発

重い回転星
Spiral SASIによる爆発
赤道面に強く爆発
超新星のニュートリノ加熱シナリオを空間３次元の自然な仮定のもと検証した。

世界に先駆けて３次元の超新星モデルを１１モデル（標準解像度）＋３モデル（世界一の高解像度）計算し、超新星爆発の機構の全体像をつかんだ！（世界では３モデルしか計算されていない）
軽い星か重い星か、回転しているかいなかによって、様々に流体不安定性が起こり、それらがニュートリノ加熱爆発を助けることが分かった。

Future Prospect
これまでの計算で定性的に何が起こるのかシ
ナリオはしっかりしてきた！
これらの定量的予言性を高めるために、
ν反応＆輸送、ＥＯＳ、ＧＲの精密化が今後必要となる。

Appendix

For earlyevolution,

NewtonianGR
Effective GR

Mueller et al. 2012

Newtonian=>optimistic
Effective GR=>pessimistic
Full GR isimportant

How energetic is that?
s１１．２
Rapid rotation

N１３

Rapid rotations27.0
Rapid rotation

Observe 0.1-0.4 10^51erg.
11.2M_s and 13 M_s, Rapid
rotation weaken the Eexp
because luminosity
becomes smaller in thatmodel.

N１３
N１３

Weak Explosion

Low Luminosity

Rotation => weak contraction =>weak Gravitational energy releaseand small Mass accretion(since it explode)＝＞ Low Luminosity

Quantitative consistency bwn, Sim. and LA.

L=2000=>
Geometry is spherical Liner analysis ω=150 [rad/s]
L is not constantIn simulation ω=25 [rad/s]
Where is r*?
Suppression by convection?

Average Energy[MeV]Luminosity[10^51erg/s]

M1-Closure

Time
Liebendoerfer et al 2005

Time
Newly Developed M1-Closure code

Sn andVE

ecp,aecp,eca,csc,nsc,pap,nes,nbr

General relativistic simulation

Newtonian Gravity

For simple spherical computation, the result is ratherconsistent.

Nordhaus+ 2010

Luminosity[10^52erg/s]

Mass accretion rate[M_s/s]
Couch+ 2012

Mass accretion rate[M_s/s]

Luminosity[10^52erg/s]

Luminosity[10^52erg/s]

2D vs 3D study with Light bulb MethodHanke+ 2012

Mass accretion rate[M_s/s]

3D > 2D
Nordhaus+2010, Dolence+2013
2D > 3D
Hanke+2012, Couch+2012

Viscosity as the hidden parameter
HLL

1D

ATV

3D
HLL

ATV

2D

HLL

ATV