[論文レビュー] Double detonations of sub-Chandrasekhar mass CO white dwarfs: Can different core and He shell masses explain variations of Type Ia supernovae?

Sabrina Gronow, Christine E. Collins+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 86被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ヘリウムシェルを有する準チャンドラセカール質量の炭素・酸素白色矮星における二重炎上爆発が、Ia超新星の前身星メカニズムとしてどのように機能するかを検討する。Arepoコードを用いた3次元流体力学的シミュレーションと、ARTISによる放射線輸送を組み合わせることで、核およびヘリウムシェル質量、さらには金属量の変動が、亜低光度から通常のIa超新星までの光度の多様性を再現可能であることが示された。ただし、観測と比較すると、40日後の減光率（Δm40(bol)）が過剰に予測されている。

ABSTRACT

Sub-Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs (CO WDs) with a surface helium (He) shell have been proposed as progenitors of Type Ia supernovae (SNe Ia). If true, the resulting thermonuclear explosions should be able to account for at least some of the range of SNe Ia observables. To study this, we conduct a parameter study based on 3D simulations of double detonations in CO WDs with a He shell, assuming different core and shell masses. An admixture of C to the shell and solar metallicity are included in the models. The hydrodynamic simulations are carried out using the AREPO code. This allows us to follow the He shell detonation with high numerical resolution, and improves the reliability of predicted nucleosynthetic shell detonation yields. The addition of C to the shell leads to a lower production of 56Ni while including solar metallicity increases the production of IMEs. The production of higher mass elements is further shifted to stable isotopes at solar metallicity. Moreover, we find different core detonation ignition mechanisms depending on the core and shell mass configuration. This has an influence on the ejecta structure. We present the bolometric light curves predicted from our explosion simulations using the radiative transfer code ARTIS, and make comparisons with SNe Ia data. The bolometric light curves of our models show a range of brightnesses, able to account for sub-luminous to normal SNe Ia. We show the model bolometric width-luminosity relation compared to data for a range of viewing angles. We find that, on average, our brighter models lie within the observed data. The ejecta asymmetries produce a wide distribution of observables, which might account for outliers in the data. However, the models overestimate the extent of this compared to data. We also find the bolometric decline rate over 40 days appears systematically faster than data. (abridged)

研究の動機と目的

• 準チャンドラセカール質量のCO白色矮星における核およびヘリウムシェル質量の変動が、観測されたIa超新星（SN Ia）光度の多様性を説明できるかどうかを明らかにすること。
• ヘリウムシェルの金属量（太陽系とゼロ）が核合成生成物および全放射光度曲線に与える影響を評価すること。
• 異なる核炎上点火メカニズム（収束波面、はさみ、縁点火）が噴出物の非対称性および観測可能な量に与える影響を評価すること。
• シミュレートされた全放射光度曲線を観測されたSN Iaデータと比較し、特に幅-光度関係および減光率の特徴を検証すること。
• 視線方向依存の観測量を調査し、SN Iaデータの解釈、特に外れ値や散らばりの要因としての影響を検討すること。

提案手法

• 核およびヘリウムシェル質量を変化させたCO白色矮星における二重炎上をモデル化するため、Arepoコードを用いた3次元流体力学的シミュレーションを実施した。
• 核合成および光学厚さへの影響を評価するため、ヘリウムシェルに炭素不純物および太陽系金属量を組み込んだ。
• 複数の視線方向に対して、モンテカルロ放射線輸送コードARTISを用いて全放射光度曲線を計算した。
• 特に56Ni生成量を追跡し、異なる炎上点火メカニズムに起因する噴出物構造および非対称性を分析した。
• Scalzoら（2019）が発表した全放射SN Iaデータセットと比較することで、シミュレートされた光度曲線（Δm40(bol)を含む）の妥当性を評価した。
• 非対称な56Ni分布が観測光度および減光率に与える影響を定量化するため、視線方向依存の観測量を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準M$_{\text{Ch}}$ CO白色矮星における核およびヘリウムシェル質量の変動が、観測されたIa超新星のピーク光度の範囲を再現可能か？
• RQ2 ヘリウムシェルに太陽系金属量を含めると、核合成生成物および全放射光度曲線の進化にどのような影響を与えるか？
• RQ3 異なる質量構成における主な核炎上点火メカニズムは何か？ また、それらは噴出物の非対称性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 シミュレートされた全放射光度曲線は、観測されたIa超新星の幅-光度関係および減光率（例：Δm40(bol)）とどの程度一致するか？
• RQ5 視線方向依存の観測量はSN Iaデータの解釈にどのように影響を及ぼし、外れ値や散らばりの要因として説明可能か？

主な発見

• 異なる核およびヘリウムシェル質量を持つモデルは、亜低光度から通常のIa超新星のピーク光度を再現可能な56Ni質量の範囲を生成した。
• 太陽系金属量の導入により、中程度質量元素（IMEs）の生成量が増加し、重元素が安定核種へとシフトする一方、シェル内の炭素は56Ni生成量を減少させた。
• 全放射光度曲線は、非対称な56Ni分布に起因し、視線方向に強く依存しており、より明るく見える方向ではピーク光度が高くなる。
• 明るいモデルは観測された幅-光度関係に含まれるが、最も暗いモデルは観測されたすべてのSN Iaよりも暗い。
• モデルは40日後の減光率（Δm40(bol)）を過剰に予測しており、観測されたSN Iaよりも速やかに減光する傾向にあり、これはモデル内での光学厚さが低いか、質量・速度・組成が不正確である可能性を示唆している。
• 視線方向観測量の分布は、観測されたSN Iaサンプルよりも広がっており、噴出物の非対称性だけではデータの散らばりを完全に説明できない可能性を示している。