Exploring the QCD phase transition in core collapse supernova simulations in spherical symmetry
T. Fischer, I. Sagert, M. Hempel, G. Pagliara, J. Schaffner-Bielich, A. Mezzacappa, F. -K. Thielemann, M. Liebendorfer
备注：
14 pages, 4 figures, 1 table. To appear in Proceedings for "Compact stars in the QCD phase diagram II (CSQCD II), May 20-24, 2009, KIAA at Peking University, Beijing - P. R. China [http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu/csqcd.htm]
For finite chemical potential effective models of QCD predict a first order phase transition. In favour for the search of such a phase transition in nature, we construct an equation of state for strange quark matter based on the MIT bag model. We apply this equation of state to highly asymmetric core collapse supernova matter with finite temperatures and large baryon densities. The phase transition is constructed using the general Gibbs conditions, which results in an extended coexistence region between the pure hadronic and pure quark phases in the phase diagram, i.e. the mixed phase. The supernovae are simulated via general relativistic radiation hydrodynamics based on three flavor Boltzmann neutrino transport in spherical symmetry. During the dynamical evolution temperatures above 10 MeV, baryon densities above nuclear saturation density and a proton-to-baryon ratio below 0.2 are obtained. At these conditions the phase transition is triggered which leads to a significant softening of the EoS for matter in the mixed phase. As a direct consequence of the stiffening of the EoS again for matter in the pure quark phase, a shock wave forms at the boundary between the mixed and the pure hadronic phases. This shock is accelerated and propagates outward which releases a burst of neutrinos dominated by electron anti-neutrinos due to the lifted degeneracy of the shock-heated hadronic material. We discuss the radiation-hydrodynamic evolution of the phase transition at the example of several low and intermediate mass Fe-core progenitor stars and illustrate the expected neutrino signal from the phase transition.
PUSHing Core-Collapse Supernovae to Explosions in Spherical Symmetry II: Explodability and Global Properties
在先前提出的原理验证研究中，我们建立了一个参数化的球对称爆炸方法（PUSH），可以再现核心坍缩超新星的许多特征。本文超越了能够再现SN 1987 A的观测性质的具体应用，对一组广泛的非旋转、太阳金属丰度恒星祖先模型的爆炸性质进行了系统的研究，这些模型的质量范围从10.8到120 M $_\odot$，其中包括作为大质量恒星坍缩的最终结果的从中子星到黑洞的转变，以及后者与超新星和微弱/失败的超新星的关系。本文件提供了扩展的核合成预测的基础上，即将在星系演化模型中使用的文件。
PUSHing core-collapse supernovae to explosions in spherical symmetry V: Equation of state dependency of explosion properties, nucleosynthesis yields, and compact remnants
在本系列的第五篇论文中，我们使用参数化的球对称爆炸方法PUSH来研究八种不同的核状态方程（EOS）的影响。我们提出并讨论了爆炸性质和详细的核合成产额，并预测了所有模拟的残余物（中子星或黑洞）。为此，我们进行了两组模拟。第一，使用SFHo状态方程对11至40 M $_{\odot}$的非旋转恒星在三种不同金属丰度下进行了完整的研究。第二，一套模拟的四个祖先（16 M $_{\odot}$在三个金属丰度和25 M $_{\odot}$在太阳金属丰度）为八个不同的核EOS。我们比较我们预测的爆炸能量和产量观察到的超新星和贫金属恒星HD~84937。我们发现爆炸性质和核合成产率的EOS依赖的差异。然而，与观察结果相比，这些差异还不足以排除本工作中考虑的任何EOS。
PUSHing Core-Collapse Supernovae to Explosions in Spherical Symmetry III: Nucleosynthesis Yields
在先前提出的原理验证研究中，我们建立了一个参数化的球对称爆炸方法（PUSH），可以再现各种爆炸前模型的核心坍缩超新星的许多特征。该方法是基于中微子驱动的机制，遵循崩溃，反弹和爆炸。我们的核合成预测模型有两个关键方面。首先，质量削减和爆炸能量同时出现在模拟中（确定每个恒星模型的铁族喷出物的数量）。第二，中微子和物质之间的相互作用被一致地包括在内（设置最里面的喷射物的电子分数）。在本文中，我们使用Ebinger等人（2018）成功的爆炸模型，其中包括两套太阳金属丰度的爆炸前模型，组合质量在10.8和120 M $_{\odot}$之间。我们进行系统的核合成研究，并预测详细的同位素产量。由此产生的$^{56}$镍喷出物是在总体上与正常的核心坍缩超新星的观测值。铁组产额也与贫金属恒星HD84937的丰度一致。我们还提出了一个比较我们的结果与观测趋势的α元素铁的比例。
PUSHing core-collapse supernovae to explosions in spherical symmetry IV: Explodability, remnant properties and nucleosynthesis yields of low metallicity stars
在本系列的第四篇论文中，我们使用参数化的球对称爆炸方法PUSH对两组非旋转恒星祖先模型进行了系统的研究。我们的研究包括爆炸前的模型与金属丰度Z=0和Z=Z $_{\odot}\times 10^{-4}$和覆盖的祖质量范围从11到75 M $_\odot$。我们提出并讨论了所有模型的爆炸性质，并预测在这种方法内的残余物（中子星或黑洞）的质量分布。我们还进行了系统的核合成研究，并预测详细的同位素产量作为祖质量和金属丰度的函数。我们提出了我们的核合成结果与观测派生的$^{56}$镍喷出物从正常的核心坍缩超新星和铁族丰度的贫金属星HD~84937的比较。总的来说，我们的爆炸能量，剩余质量分布，$^{56}$镍质量，和铁组产率的结果是一致的正常CCSNe的观察。我们发现，在低和零金属丰度的恒星祖先更容易BH的形成比那些在太阳的金属丰度，这允许在LIGO/VIRGO观察到的质量范围内的BH的形成。
Exploring Fundamentally Three-dimensional Phenomena in High-fidelity Simulations of Core-collapse Supernovae
驱动核心坍缩超新星（CCSNe）的物理机制的细节仍然不确定。虽然在2D中详细的CCSN机制模拟的定性结果上正在形成共识，但直到最近才有高保真度3D模拟成为可能。在这里，我们提出了一个广泛的3D CCSN模拟使用高保真度多维中微子输运，高分辨率流体力学和近似的广义相对论引力的结果。我们采用了最先进的20太阳质量的祖先，使用恒星天体物理学实验模块（MESA; Farmer et al.（2016）Paxton et al.（2011，2013，2015，2018）和Steiner et al.（2013）的SFHo状态方程。虽然我们的3D CCSN模拟没有在核心反弹后约500 ms内爆炸，但我们发现，在坍塌的铁芯周围的Si和O壳中存在大规模非球面运动有助于冲击波膨胀，并使模型更接近爆炸阈值。我们还发现一些依赖于分辨率和几何形状（八分圆与全4 $π$）。正如在最近的其他工作中所指出的那样，我们发现激波后湍流在确定我们模拟的整体动力学演化中起着重要作用。我们发现一个强大的常设吸积激波不稳定性（SASI），在冲击衰退时期的后期发展。SASI有助于瞬态激波扩展阶段，但不足以导致激波复活。我们还报告说，对于我们的模拟的一个子集，我们发现了Tamborra等人（2014）首次报道的LESA的确凿证据，但到目前为止，尚未得到其他模拟代码的证实。无论是祖非球面性和SASI引起的瞬态冲击膨胀阶段产生瞬态…
Filling The Pockets: The Spherical Nature of 3D Deflagration in Thermonuclear Supernovae
Florida State University（佛罗里达州立大学）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；University of Hawai’i at Manoa（夏威夷大学马诺阿分校）；Planetary Science Institute（行星科学研究所）；Hamburger Sternwarte（汉堡天文台）
