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2014-3-7

天文学中的数值模拟:编外篇之三·快速自转强磁场恒星的坍缩和爆发

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 8:35 pm

由于撰写难度,数值模拟这个系列很久没有增添新文了。最近看到一篇关于模拟快速自转强磁场恒星爆发的论文,内容颇有意思。虽然对核心坍缩型超新星爆发的数值模拟介绍文章还遥遥无期,先在此介绍一下这项工作好了。

大质量恒星坍缩和爆发的具体机制一直是天体物理学中的难题。传统上认为,中微子是驱动核心坍缩型超新星爆发的主要动力,但相关的模拟工作往往难以让星体炸开,一直有“千万个理由可以引燃超新星,但是它就是无法爆发”之说;何况大量研究似乎都说明,中微子机制本身的效率并不高,不足以诱发能量超高的那部分超新星。因此又有学者提出了自转+强磁场的机制。在这样的机制中,星体核心具有快速自转(周期不足4秒)与磁陀星级的磁场强度。这其中主导磁场的分量是环向成分,它使得星体核心产生了一对喷流,最终导致星体瓦解。在实际应用中,这一机制更适宜解释能量超高且经常与伽玛暴成协的超新星。

普通的恒星磁场远远不及磁陀星。磁旋转不稳定性可能是星体中心磁场放大问题的一个解决方案。现有的一些二维模拟工作假设这种稳定性确实会发生,为前身星引入了超强的1012高斯甚至更高的磁场,这样的磁场还会在坍缩以及随后的反弹过程中被进一步放大3个数量级。由此,这些工作成功实现了强喷流驱动的爆发。

但是对于这一机制的三维模拟来说,现有研究还是非常不全面的,而且也没有人对二维和三维的模拟结果进行过全面比较。这项新工作的目的就是利用自适应网格相对论性磁流体模拟的手段,对快速自转强磁场恒星的爆发过程进行全面而详尽的三维模拟。与先前的工作相比,这次最大的改变在于引入了相对真实的前身星模型、有限温度的状态方程以及对坍缩前后中微子活动的近似。

模拟涉及的前身星初始质量是太阳的25倍,模拟开始时其核心区域存在每秒2.8周的自转,磁场为1012高斯。为了比较二维与三维的区别,模拟一共进行了两组,一是不受任何限制的三维模拟,二是假设模拟区域垂直于x-y平面存在4次旋转对称,且相对x-y平面还存在镜像对称。在后一种情况下,非轴向对称的过程很大程度上受到了抑制。考虑比较的方便,前者在计算时添加了非轴对称的扰动。

对称三维(最左侧)与不受限制的三维(右侧三图)喷流模拟比较,前者用于探讨二维模拟的情形。(图片来源:Mösta et al. 2014

在这两种情况下,星体的坍缩和早期反弹过程是没有本质差异的。与过去的二维模拟一样,在星体反弹发生后,轴向和环向的磁场都由于自转和磁通量的压缩迅速放大到了1015高斯,同时近似为球形的激波也从星体中心涌出。这道激波很快会受阻,随后由于高速较差自转导致的磁力线缠绕,星体中心内区和激波之间的环向磁场被进一步放大,喷流形成。此时二维和三维模拟的差异就出现了。

二维(以及本项工作中讨论的对称三维)喷流大体还可以保持对称性,继续传播。但在三维模拟中,初始非轴对称的小扰动会让初始基本对称的双极喷流扭曲变形,扩散成瓣状而非喷流状结构,使其无法从受阻激波突破出去。换句话说,在二维模拟中可以轻易爆发的快速自转强磁场坍缩星在三维环境中可能根本无法爆发。至少在这项模拟覆盖的时间范围内(对应反弹后的185毫秒),喷流膨胀成的不对称瓣张角扩大到了90度,只会缓慢膨胀。

等离子体参数β(气压与磁压之比)分布的演化,黄色表示高磁化区。(图片来源:Mösta et al. 2014

那么让小扰动扩张的机制是什么?就现在的分析来看,它最有可能是源自磁流体螺旋不稳定性的,如纽曲不稳定性。在真实的爆发恒星中,新生中子星的自转剪切不稳定性以及螺旋形吸积激波不稳定性也是都可以出现的,只是在本项模拟中不大会被激发。因此到了模拟的中后期,整个区域内就是以扭曲不对称分布的低密度磁流体为主了,激波扫过的地方演化成了双椭圆状结构,而并没有预期的失控爆发。

这样的结构有多混乱?看下图就知道了。

反弹161毫秒后熵(左)与等离子体参数(右)的分布。左图中的蓝色、青色、绿色、黄色对应的物质密度依次增加(其中青色表示激波面),右图中黄色、红色和蓝色代表的磁化率依次增加。(图片来源:Mösta et al. 2014

这样看来,无论是中微子,还是自转加磁场的组合,驱动超新星的爆发都还是很棘手的事情。在这项模拟中,由于扭曲不稳定性的增长时标短于喷流传播的时标,喷流被迅速瓦解。在实际的恒星爆发中,情况可能更是不容乐观。爆发前的恒星铁核磁场可能会比模拟的初始条件低上2到3个数量级。因此,这时所需的磁场的增长时标更长,喷流更容易被短时标的不稳定性扰乱。

如果不对称的磁流体瓣最终可以通过某种渠道被加速,那么星体还是有可能发生爆发的,只是这样的爆发会是不对称的。但是此等爆发的发生有一个前提:在磁流体瓣膨胀的同时,星体中心新生的中子星也会持续不断地从赤道方向吸积着物质,最终坍缩为黑洞。如果瓣中的物质在此之前无法获取足够多的能量,它们将最终落回黑洞。这种情况下更接近伽玛暴的发生机制:回落先形成吸积盘,然后经由某种机制再度产生双极喷流,顶出星体包层,发生可见的爆发。这样看来,驱动极超新星的力量更可能是来自黑洞吸积的,而非快速自转的原磁陀星。

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