[論文レビュー] Light Curves of Core-Collapse Supernovae with Substantial Mass Loss using the New Open-Source SuperNova Explosion Code (SNEC)

Viktoriya Morozova, Anthony L. Piro+6 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、コアコリプス超新星の光曲線をモデル化するためのオープンソースの1次元ラグランジュ形式流体力学および平衡拡散放射輸送コード、SNECを紹介する。$15\thinspace M_\text{Sun}$の前身星で顕著な質量損失を示す場合、20–100日間のプラトー期間を持つ光曲線が得られるのは、$\gtrsim 1.5-2\thinspace M_\text{Sun}$の水素豊富な物質が残っている場合に限られ、低質量前身星における質量損失が「すべてか、まったくないか」の二択であることを示唆しており、これはタイプ Ib/c 超新星の形状を規定する二重星相互作用に関与している可能性を示している。

ABSTRACT

We present the SuperNova Explosion Code (SNEC), an open-source Lagrangian code for the hydrodynamics and equilibrium-diffusion radiation transport in the expanding envelopes of supernovae. Given a model of a progenitor star, an explosion energy, and an amount and distribution of radioactive nickel, SNEC generates the bolometric light curve, as well as the light curves in different broad bands assuming black body emission. As a first application of SNEC, we consider the explosions of a grid of 15 Msun (at zero-age main sequence) stars whose hydrogen envelopes are stripped to different extents and at different points in their evolution. The resulting light curves exhibit plateaus with durations of ~20-100 days if >~1.5-2 Msun of hydrogen-rich material is left and no plateau if less hydrogen-rich material is left. If these shorter plateau lengths are not seen for Type IIP supernovae in nature, it suggests that, at least for zero-age main sequence masses

研究の動機と目的

• 実際の物理法則を反映した、再現可能で体系的なモデル化を可能にする、オープンソースでアクセス可能な超新星光曲線シミュレーションツールの開発。
• 15\thinspace M_\text{Sun}の前身星における水素エンベロープの質量損失の度合いやタイミングの違いが、得られる光曲線の形状に与える影響を調査すること。
• 徐々な質量損失が、特に初期段階の明るさとプラトー行動を示すタイプ IIL 超新星の観測された多様性を説明できるかどうかを検証すること。
• タイプ IIb 超新星における二重ピーク光曲線の物理的起源を調査し、前身星の半径と残留水素質量との関係を明らかにすること。
• 単純な質量損失モデルが観測されたタイプ IIL および IIP 超新星の光曲線を再現する際の限界を評価し、拡張または構造的 circumstellar material などの代替メカニズムの必要性を示唆すること。

提案手法

• SNECは、与えられた前身星モデルからの超新星残骸の爆発および膨張をラグランジュ形式流体力学でシミュレートする。
• 放射エネルギーの時間的蓄積と放出を計算するために、平衡拡散放射輸送を用いる。
• 放射輸送の正確な計算のため、$^{56}\mathrm{Ni}$の崩壊によるエネルギー供給、イオン化構造、およびOPALおよび低温データを含む光学率テーブルをコードに組み込む。
• 光曲線は、光球面からの黒体放射を仮定して、ボロメトリックおよび広帯域フィルターバンドで計算される。
• 前身星構造に応じた光曲線特徴の依存関係を調査するため、水素エンベロープ質量と剥ぎ取りタイミングを変化させた$15\thinspace M_\text{Sun}$の前身星のグリッドをシミュレートする。
• 既知の結果（例：SN 1999em）との妥当性確認および既存モデルとの比較を通じて、コードの整合性と信頼性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ IIP 超新星の光曲線におけるプラトー期間の長さは、前身星のエンベロープに残存する水素量にどのように依存するか？
• RQ2 $15\thinspace M_\text{Sun}$の前身星における徐々な質量損失が、タイプ IIL 超新星の観測された光曲線形状を再現できるか？
• RQ3 タイプ IIb 超新星における二重ピーク光曲線が生じる物理的条件は何か？また、それらは前身星の半径と水素質量とどのように関係するか？
• RQ4 観測されたタイプ IIP 超新星に短いプラトー期間が見られないことから、$\lesssim 20\,M_\text{Sun}$の前身星では、質量損失が不連続的で「すべてか、まったくないか」の二択である可能性を示唆するか？
• RQ5 タイプ IIL 超新星の多様性は、単に前身星構造の違いだけで説明できるのか、それとも追加の物理機構（例：cirumstellar 相互作用）が必要か？

主な発見

• 20–100日間のプラトー期間を持つ光曲線は、前身星に$\gtrsim 1.5-2\,M_\odot$の水素を含む物質が残っている場合にのみ得られる。
• タイプ IIP 超新星においてこのようなプラトーが観測されない場合、$\lesssim 20\,M_\text{Sun}$の前身星では、水素の質量損失が不連続的で「すべてか、まったくないか」の性質を示していると考えられる。
• 1.5–2\,M_\odot未満の水素を有するモデルではプラトーが現れず、これはタイプ Ib/c 超新星の挙動と一致する。
• グリッド内で最も剥ぎ取られたモデルは二重ピーク光曲線を示し、これは小規模な水素質量と約$500\,R_\odot$の半径を持つ前身星から自然に生じることを確認している。
• 15\,M_\text{Sun}モデルにおける単純な質量損失の変化だけでは、タイプ IIL 超新星の観測された明るさを再現できない。これは初期段階での十分な明るさが得られないためである。
• これらの結果は、タイプ IIL 超新星が単に徐々な質量損失によって説明できるものではなく、一部の例で見られる幅の狭い発光線が示唆するように、拡張または構造的 circumstellar material が関与している可能性を示唆している。