A grid of fast-rotating, chemically-homogeneous, supernova and/or long-GRB progenitors

技術要約：高速回転する化学的均質進化を遂げる超新星および長波長GRBプロジェニターのグリッド

問題提起
大質量星の崩壊と潜在的な爆発を支配するメカニズムは、天体物理学における中心的な課題であり続けている。ニュートリノ駆動型のコア崩壊に関する数値シミュレーションは進展しているものの、それらは恒星プロジェニター（前駆星）の初期構造に大きく依存している。以下の2つの特定の条件を満たすプロジェニター・グリッドの可用性に、重大なボトルネックが存在する。

1. 進化の後期段階: モデルは、サブソニック（亜音速）崩壊相（通常、鉄コアの落下速度 $v_{\text{infall}} \lesssim -300$ km s$^{-1}$ に達するまで）まで十分に進化していなければならない。この段階では、熱力学的量が恒星進化コードの標準的な状態方程式の範囲を超えることが多い。
2. 詳細な微物理学: シリコン燃焼中およびその後の脱レプトン化を正確に捉えるために、十分な大きさの核反応ネットワーク（具体的には $\sim$100 種類の同位体）を用いる必要がある。

既存のグリッドの多くは、弱い相互作用を複合反応によって近似する小さなネットワーク（$\sim$20 種類の同位体）に依存しており、コアの電子分率（$Y_e$）プロファイルや密度構造の精度を犠牲にしている。さらに、高速回転するプロジェニター（噴流爆発、コラプサー、マグネター駆動のトランジェント、および長波長ガンマ線バースト（LGRB）を理解するために不可欠）について、自己整合的なグリッドが公開されている例は極めて少ない。既存の回転モデルの多くは、小さなネットワークを使用しているか、あるいは進化過程と矛盾するアドホックな角運動量プロファイルを課している。

手法
著者らは、オープンソースの恒星進化コード MESA（バージョン r24.03.1）を用いて計算された、113 個の単独星モデルからなるグリッドを提示している。

• パラメータ空間: グリッドは、初期ゼロ年齢主系列（ZAMS）質量 ($M_{\text{ZAMS}}$) 30 から 9 \text{ $M_{\odot}$}、および初期剛体回転率 ($\omega_{\text{ZAMS}}$) 臨界回転率 ($\omega_{\text{crit}}$) の 0.5 から 0.99 をカバーしている。金属量は $Z = 0.001$ に固定されている。
• 物理入力:
  • 核反応ネットワーク: 弱い相互作用と脱レプトンのプロセスを正確に追跡するために、完全に結合された 128 種類の同位体ネットワーク (mesa 128.net) が使用されている。
  • 状態方程式および不透明度: Skye 状態方程式、電子スクリーニング、熱的ニュートリノ損失、OPAL 放射不透明度、および Cassisi 電子伝導不透明度。
  • 混合および輸送: 回転混合は拡散近似（Heger et al. 2000）で扱われ、対流による角運動量輸送および放射領域における「古典的」な Tayler-Spruit ダイナモが含まれる。コアのオーバーシュートはステップ関数としてモデル化されている。
  • 質量放出: 風による質量放出率は、表面ヘリウム組成に応じて Vink et al. (2000) または Nugis & Lamers (2000) に従い、金属量および回転による増強を考慮している。
• 数値戦略:
  • モデルは、**回転誘起による化学的均質進化（CHE）**を起こすように構築されている。
  • 条件 (i) に達するために、モデルは $v_{\text{infall}} \leq -300$ km s$^{-1}$ となるまで進化させる。
  • 燃焼の後期段階における外層の偽の数値速度を抑制するために、人工的な減衰スキームが適用されている。
  • コードは、中心温度 $\log_{10}(T) \geq 9.2$ において「オペレーター・スプリット」モードで作動する。

主要な貢献と結果

• グリッドの成功と組成: 初期セット 781 モデルのうち、113 モデルが、非物理的な光度や有効温度の逸脱を示すことなく、コア崩壊の開始まで正常に到達した。成功率は約 14% であり、高い質量および高い回転率において失敗率が高くなる傾向がある。これは主に物理的な仮説ではなく、数値的な硬さ（stiffness）に起因している。
• 恒星進化: モデルは CHE を示し、拡張した水素エンベロープの形成を防いでいる。星はヘルツシュプルング・ラッセル図上で青方へ進化し、コンパクト（$R_{\text{max}} \lesssim 31 R_{\odot}$）かつ高温（$T_{\text{eff}} \gtrsim 10^{4.5}$ K）の状態を維持する。表面にはヘリウムが残るが、水素は欠いている。
• 崩壊時のコア構造:
  • エントロピーと密度: 内側の比エントロピープロファイルは、効率的な対流を示すほぼ平坦な「ステップ」を示す。密度プロファイルは、電子縮退圧により電子分率（$Y_e$）の影響を強く受けている。
  • 核反応ネットワークの影響: 128 種類の同位体モデルと、同一の条件下で 22 種類の同位体ネットワークを用いたモデルとの比較により、小さなネットワークが内核の $Y_e$ および密度プロファイルに系統的な誤差を導入することが明らかになった。これらの誤差は、質量や回転の変化による変動と同等、あるいはそれ以上に大きく、爆発のダイナミクスを著しく偏らせる。
  • 角運動量: モデルは崩壊時に大量の比角運動量 ($j$) を保持している。プロファイルは、原始コンパクト天体（原始中性子星の段階の前または最中）への降着円盤が形成される可能性が高いことを示唆している。
  • 磁場: Tayler-Spruit ダイナモは、方位角および径方向の磁場を生成し、コア内の局所的な磁場強度は $10^{12}$ G に達する。
  • コンパクトネス: コンパクトネスパラメータ $\xi_{1.75}$ は、一般に回転の増加とともに減少するが、その傾向は非線形である。ほとんどのモデルはブラックホール形成を支持する領域に属しているが、高い角運動量が直接崩壊を防ぐ可能性がある。

意義と主張
本論文は、このグリッドが、更新された入力物理学と改善されたアルゴリズムの精度を備えた均質なモデルセットを提供し、高速回転するプロジェニターの自己整合的な解析に対する欠如を特に対処していると主張している。

• 有用性: これらのモデルは、回転と磁場が支配的な恒星爆発の多次元・多物理シミュレーションの初期条件として機能する。これらは、剥ぎ取られたエンベロープを持つ超新星（噴流を持つもの、または幅広線のものを含む）、コラプサー、マグネター駆動のトランジェント、および長波長 GRB を研究することを目的としている。
• 限界: 著者らは、特定の進化経路（単独星、極めて高速な初期回転）は局所宇宙においては稀である可能性があり、単独星進化よりも連星相互作用（例：合体、潮汐によるスピンアップ）に近い近似であることを認めている。また、特定の核反応率（例：$^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$）、Tayler-Spruit ダイナモの処方、およびエンベロープ速度の人工的な減衰に関する注意点についても述べている。
• 利用可能性: グリッドおよび関連する処理スクリプトは公開されており、回転する大質量星の爆発に関する系統的な数値実験を促進することを目指している。