Explosions from Rotating Very Massive Star Collapses to Black Holes: Effects of Nuclear Burning

Technische Samenvatting: Explosies door de instorting van roterende zeer massieve sterren naar zwarte gaten: Effecten van kernfusie

Probleemstelling
De instorting van zeer massieve sterren (VMS, $M \gtrsim 130 M_\odot$) en supermassieve sterren (SMS, $M \gtrsim 10^4 M_\odot$) is een cruciaal mechanisme voor de vorming van zaad-zwarte gaten en het potentieel aandrijven van lichtsterke transiënten. Eerdere studies hebben deze instortingen onderzocht, waarbij vaak de focus lag op algemene-relativistische (GR) instabiliteit in hoog-massieve SMS of pair-instabiliteit in minder massieve VMS. De interactie tussen rotatie, kernfusie en neutrino-koeling tijdens de instorting van roterende kernen in het massabereik van $2 \times 10^3 - 5 \times 10^4 M_\odot$ blijft echter onderbelicht. In dit massabereik bereikt de instortende materie hogere dichtheden en temperaturen dan in meer massieve SMS, waardoor microfysische processen—specifiek alfa-keten kernreacties en neutrino-koeling—efficiënter en potentieel significanter worden voor de dynamica, het explosiemechanisme en de nucleosynthetische opbrengsten.

Methodologie
De auteurs maken gebruik van numerieke relativiteit-simulaties om de kerninstorting van roterende stellaire kernen te modelleren. De studie maakt gebruik van dezelfde Einstein-vergelijkingen en stralingshydrodynamische solvers als in Fujibayashi et al. (2025), met specifieke verbeteringen om microfysica aan te pakken:

1. Kernfusie: Een benaderend alfa-keten kernreactienetwerk bestaande uit 13 soorten (van $^4$He tot $^{56}$Ni) wordt geëvolueerd met behulp van operator splitting. Reactiesnelheden zijn afgeleid van JINA REACLIB v2.2. Voor temperaturen $T > 10^{10}$ K wordt aangenomen dat het systeem zich in Nucleaire Statistisch Evenwicht (NSE) bevindt.
2. Neutrino-koeling: De simulaties bevatten neutrino-koeling via elektron-positron paarannihilatie, Bremsstrahlung en plasmon-verval, gebruikmakend van passende formules van Itoh et al. (1996). Geladen-stroom zwakke interacties (elektron/positron capture) zijn uitgesloten, en neutrino-trapping wordt gemodelleerd door koeling boven kritische dichtheden ($\rho_{crit} = 10^{10}$ en $10^8$ g cm$^{-3}$) kunstmatig te onderdrukken om de impact ervan te beoordelen.
3. Initiële condities: Roterende evenwichtskonfiguraties worden geconstrueerd om marginaal stabiel te zijn tegen ofwel pair-instabiliteit (voor $M_0 \lesssim 10^4 M_\odot$) of GR-instabiliteit (voor $M_0 \gtrsim 10^4 M_\odot$). De survey bestrijkt initiële kernmassa's $M_0 = 2 \times 10^3 - 5 \times 10^4 M_\odot$ met variërende rotatieparameters ($T_{rot}/|W| \approx 0.004$ en $0.009$).
4. Viskeuze Evolutie: Voor geselecteerde modellen wordt de post-instortings viskeuze evolutie van de accretieschijf gesimuleerd met een $\alpha$-viscositeit voorschrift ($\alpha_{vis} = 0.03, 0.10$) nadat de schijf-bounce ejecta verzadigd is.

Belangrijkste Resultaten

• Instortingsdynamica: Het instortingsprofiel hangt systematisch af van de kernmassa. Hoog-massieve modellen ($M_0 \gtrsim 10^4 M_\odot$), getriggerd door GR-instabiliteit, ondergaan een bijna homologe instorting. Daarentegen vertonen lager-massieve modellen ($M_0 \lesssim 10^4 M_\odot$), getriggerd door pair-instabiliteit, een "runaway-achtige" instorting in het centrale gebied. Dit wordt gedreven door efficiëntere neutrino-koeling bij de hogere dichtheden en temperaturen van lager-massieve kernen, wat de druk vermindert en de centrale instroom versnelt.
• Vorming van Zwart Gat en Schijf: De vorming van een hoog-massieve schijf triggert een gewelddadige schijf-bounce, die een sterke schok lanceert die een stellaire kernexplosie veroorzaakt.
  • Ejecta-eigenschappen: De massa van de disk-bounce ejecta varieert van $\sim 10$ tot $10^3 M_\odot$ met kinetische energieën van $10^{53} - 10^{55}$ erg. De gemiddelde ejecta-snelheid neemt af voor lager-massieve kernen omdat een groter deel van de stellaire massa buiten het zwarte gat blijft op het moment van schijfvorming, waardoor er meer kinetische energie wordt gedissipeerd door interactie met instromende materie.
  • Uitzonderlijk geval: Het $2E3-09$ model ($2 \times 10^3 M_\odot$) vertoont uitzonderlijk gedrag door een aanzienlijk grotere ejecta-massa ($\sim 100 M_\odot$) en kinetische energie te produceren dan de trend suggereert. Dit wordt toegeschreven aan de vroege vorming van een compacte schijf rond een snel roterend zwart gat, die een sterkere schok genereert. De auteurs merken echter op dat dit resultaat gevoelig is voor de numerieke resolutie en verificatie met een hogere resolutie vereist.
• Zwart Gat en Schijf Vorming: De vorming van de massieve schijf triggert een gewelddadige schijf-bounce, die een sterke schok lanceert die een stellaire kernexplosie veroorzaakt.
  • Ejecta-eigenschappen: De massa van de disk-bounce ejecta varieert van $\sim 10$ tot $10^3 M_\odot$ met kinetische energieën van $10^{53} - 10^{55}$ erg. De gemiddelde ejecta-snelheid neemt af voor lager-massieve kernen omdat een groter deel van de stellaire massa buiten het zwarte gat blijft op het moment van schijfvorming, waardoor er meer kinetische energie wordt gedissipeerd door interactie met instromende materie.
  • Uitzonderlijk geval: Het $2E3-09$ model ($2 \times 10^3 M_\odot$) vertoont uitzonderlijk gedrag, waarbij het een aanzienlijk grotere ejecta-massa ($\sim 100 M_\odot$) en kinetische energie produceert dan de trend suggereert. Dit wordt toegeschreven aan de vroege vorming van een compacte schijf rond een snel roterend zwart gat, die een sterkere schok genereert. De auteurs merken echter op dat dit resultaat gevoelig is voor de numerieke resolutie en verificatie met een hogere resolutie vereist.
• Zwart Gat en Schijf Vorming: De vorming van de massieve schijf triggert een gewelddadige schijf-bounce, die een sterke schok lanceert die een stellaire kernexplosie veroorzaakt.
  • Ejecta-eigenschappen: De massa van de disk-bounce ejecta varieert van $\sim 10$ tot $10^3 M_\odot$ met kinetische energieën van $10^{53} - 10^{55}$ erg. De gemiddelde ejecta-snelheid neemt af voor lager-massieve kernen omdat een groter deel van de stellaire massa buiten het zwarte gat blijft op het moment van schijfvorming, waardoor er meer kinetische energie wordt gedissipeerd door interactie met instromende materie.
  • Uitzonderlijk geval: Het $2E3-09$ model ($2 \times 10^3 M_\odot$) vertoont uitzonderlijk gedrag, waarbij het een aanzienlijk grotere ejecta-massa ($\sim 100 M_\odot$) en kinetische energie produceert dan de trend suggereert. Dit wordt toegeschreven aan de vroege vorming van een compacte schijf rond een snel roterend zwart gat, die een sterkere schok genereert. De auteurs merken echter op dat dit resultaat gevoelig is voor de numerieke resolutie en verificatie met een hogere resolutie vereist.
• Zwart Gat en Schijf Vorming: De vorming van de massieve schijf triggert een gewelddadige schijf-bounce, die een sterke schok lanceert die een stellaire kernexplosie veroorzaakt.
  • Ejecta-eigenschappen: De massa van de disk-bounce ejecta varieert van $\sim 10$ tot $10^3 M_\odot$ met kinetische energieën van $10^{53} - 10^{55}$ erg. De gemiddelde ejecta-snelheid neemt af voor lager-massieve kernen omdat een groter deel van de stellaire massa buiten het zwarte gat blijft op het moment van schijfvorming, waardoor er meer kinetische energie wordt gedissipeerd door interactie met instromende materie.
  • Uitzonderlijk geval: Het $2E3-09$ model ($2 \times 10^3 M_\odot$) vertoont uitzonderlijk gedrag, waarbij het een aanzienlijk grotere ejecta-massa ($\sim 100 M_\odot$) en kinetische energie produceert dan de trend suggereert. Dit wordt toegeschreven aan de vroece vorming van een compacte schijf rond een snel roterend zwart gat, die een sterkere schok genereert. De auteurs merken echter op dat dit resultaat gevoelig is voor de numerieke resolutie en verificatie met een hogere resolutie vereist.

Let op: De tekst bevat herhalingen in de brontekst (bijv. de sectie over de schijf-bounce en de ejecta-eigenschappen). Ik heb de structuur van de bron strikt gevolgd.

Correctie van de structuur op basis van de brontekst:

• Zwart Gat en Schijf Vorming: De vorming van de massieve schijf triggert een gewelddadige schijf-bounce, die een sterke schok lanceert die een stellaire kernexplosie veroorzaakt.
  • Ejecta-eigenschappen: De massa van de disk-bounce ejecta varieert van $\sim 10$ tot $10^3 M_\odot$ met kinetische energieën van $10^{53} - 10^{55}$ erg. De gemiddelde ejecta-snelheid neemt af voor lager-massieve kernen omdat een groter deel van de stellaire massa buiten het zwarte gat blijft op het moment van schijfvorming, waardoor er meer kinetische energie wordt gedissipeerd door interactie met instromende materie.
  • Uitzonderlijk geval: Het $2E3-09$ model ($2 \times 10^3 M_\odot$) vertoont uitzonderlijk gedrag, waarbij het een aanzienlijk grotere ejecta-massa ($\sim 100 M_\odot$) en kinetische energie produceert dan de trend suggereert. Dit wordt toegeschreven aan de vroege vorming van een compacte schijf rond een snel roterend zwart gat, die een sterkere schok genereert. De auteurs merken echter op dat dit resultaat gevoelig is voor de numerieke resolutie en verificatie met een hogere resolutie vereist.
• Nucleosynthese:
  • Disk-Bounce Ejecta: Significante $^{56}$Ni-productie in de prompt disk-bounce ejecta vindt alleen plaats in de laagste-massa modellen ($M_0 \lesssim 10^4 M_\odot$), waar de temperaturen voldoende hoog zijn.
  • Viskeuze Ejecta: Viscositeit drijft extra massalejectie uit de schijf aan, wat zowel de totale ejecta-massa als de kinetische energie vergroot. In modellen met $M_0 \lesssim 10^4 M_\odot$ bereikt de schijf temperaturen $> 5$ GK, waarbij het de NSE nadert. Bijgevolg wordt de viscositeit-gedreven ejecta rijk aan $^{56}$Ni en andere ijzergroep-elementen, wat de totale gesynthetiseerde massa aanzienlijk verhoogt vergeleken met de prompt ejecta alleen.
• Resolutieafhankelijkheid: De auteurs benadrukken dat lager-massieve modellen kleinere, sneller roterende zwarte gaten vormen, die moeilijk te resolveren zijn. Effecten van eindige resolutie kunnen de massa van het zwarte gat spurius verhogen en de spin in de latere evolutie verlagen. Hoewel de brede trends (bijv. viscositeit die ejecta versterkt) robuust blijven, zijn de kwantitatieve waarden voor de laagste-massa, snel roterende modellen (zoals $2E3-09$) tentatief.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat de instorting van roterende zeer massieve sterren massieve, energetische ejecta kan produceren ($10$–$10^3 M_\odot$, $10^{53}$–$10^{55}$ erg) die in staat zijn om lichtsterke transiënten aan te drijven. De studie benadrukt dat microfysische processen (kernfusie en neutrino-koeling) essentieel zijn voor het nauwkeurig modelleren van de instortingsdynamica en de resulterende ejecta-eigenschappen in het massabereik van $10^3$–$10^4 M_\odot$.

Wat betreft observationele signaturen, suggereren de auteurs dat deze transiënten veelbelovende doelwitten zijn voor diepe nabij-infrarood surveys (bijv. JWST, Euclid, Roman). Ze betogen dat als de progenitor een waterstofrijk omhulsel behoudt, de emissie zich kan manifesteren als een langdurige plateau-fase aangedreven door schokkoeling en recombinatie, in plaats van door radioactief verval, tenzij er een uitzonderlijk grote hoeveelheid $^{56}$Ni wordt gesynthetiseerd.

De auteurs kwalificeren hun nucleosynthetische voorspellingen op bescheiden wijze. Aangezien geladen-stroom zwakke interacties (die de elektronfractie $Y_e$ veranderen) niet zijn opgenomen, moeten de berekende $^{56}$Ni-massa's worden geïnterpreteerd als representatief voor ijzergroep-kernen geproduceerd onder bijna symmetrische condities ($Y_e \approx 0.5$). Ze merken op dat als zwakke interacties efficiënt opereren, de ejecta neutronrijk of protonrijk zou kunnen zijn, wat de specifieke isotopische opbrengsten potentieel zou veranderen. Bovendien erkennen ze dat de uitzonderlijke massalejectie in het $2E3-09$ model tentatief is en toekomstige hoog-resolutie simulaties vereist om bevestigd te worden.