失败超新星爆发的研究

Massive stars usually end their lives as central core-collapse supernova explosions, and leave compact objects (neutron stars or black holes). However, based on the recent theoretical simulation, many of them can undergo failed supernova explosions (FSNs), and directly collapse into black holes. Furthermore, possible candidates for FSNs had been observed. FSNs depend on the stellar structures and chemical abundances of the core-collapse progenitors. It is well known that more than 70% of massive stars are in binary systems, and binary interactions have great effects on the stellar structures and evolutions. Using the models of binary evolutions and neutrino mechanism, this project focuses on studying the physical conditions of FSNs in massive binaries, discussing the mass distribution of the black holes formed via FSN channel, and finding out the formation channel for ‘heavy’ black holes. With help of the method of population synthesis, the project investigates the statistical properties of a large sample for black-hole binaries via FSN channel, discusses the gravitational waves released by them, and gives possible progenitors for GW150914.

通常来说，大质量恒星都会以中心核塌缩超新星爆发结束自己的生命，形成致密天体（中子星或黑洞）。然而，最新的理论模拟显示，许多中心核塌缩可能会经历失败的超新星爆发（FSN）,直接塌缩成黑洞，并且在观测上已经发现可能的候选体。FSN的发生依赖于中心核塌缩前恒星的结构和化学丰度。众所周知，70%以上的大质量恒星处在双星系统中，而且双星的相互作用对恒星的结构与演化有着重要的影响。借助双星演化模型和中微子机制，本项目将重点研究大质量双星系统中FSN发生的物理条件，分析由FSN通道形成的黑洞质量的分布特点，给出‘重’黑洞的形成条件。最后利用星族合成方法，研究由FSN通道形成大样本双黑洞系统的统计特性，借助引力波辐射模型讨论这些双黑洞系统并合时产生的引力波，给出引力波GW150914可能的前身星系统。

观测结果表明，超新星爆发率低于用恒星诞生率计算的爆发率，这被称为“红超巨星问题”，可能原因是一些大质量恒星经历了失败超新星。通过研究双星相互作用对中心核塌缩超新星前身星结构和演化的影响，本项目模拟了中心核塌缩超新星爆发，给出了形成失败超新星的物理条件，讨论了恒星旋转、金属丰度、磁场等物理参数对失败超新星的影响。研究成果对进一步认识大质量恒星的结构与演化、理解双星相互作用具有重要意义。.致密度参数ξ_(2.5)可以用来判定大质量恒星是否爆炸成功。为研究旋转、金属丰度和磁场等参数对大质量恒星可爆性的影响，本项目计算了初始质量在10~55M_⊙之间的大质量恒星中心核塌缩时的致密度参数，利用恒星演化程序MESA，模拟了具有不同旋转速度、金属丰度和磁场的大质量恒星从零龄主序到中心核塌缩前的结构和演化。研究结果表明，对于非旋转模型，从对流中心碳燃烧到辐射中心燃烧的过渡发生在20M_⊙，相应的失败超新星发生的区域为21-23M_⊙和30M_⊙以上。但对于V_(ini)=600kms^(-1)和金属丰度为1/50Z_⊙的快速旋转模型，过渡发生在11M_⊙。然而，经历化学均匀演化（CHE）的模型将产生长伽玛射线暴，不能被视为失败超新星。旋转引起的混合导致CHE，并在中心氦耗尽后形成更大的CO核。同时，快速旋转的模型在氦燃烧期间有更猛烈的^(12)C(α,γ)^(16)O反应速率，因此^(12)C质量分数较低，这导致中心碳燃烧阶段的能量生成减少。对于V_(ini)=300kms^(-1)的1/50Z_⊙模型，那些初始质量低于∼34M_⊙的模型将经历正常演化，而高于该初始质量的模型将经历CHE。对于V_(ini)=600kms^(-1)和金属丰度为1/50Z_⊙的有磁场的恒星模型，失败超新星发生的区域出现在18M_⊙∼23M_⊙附近。对于金属丰度为1/10Z_⊙的旋转模型，金属丰度的增加更有利于正常演化和产生更少的长伽马射线暴，这导致失败超新星的质量上限更高。.在本项目资助下，项目组成员发表了16篇SCI收录论文，培养毕业1名博士研究生、7名硕士研究生，正在培养2名博士研究生、6名硕士研究生。