[論文レビュー] Molecules and dust in Cas A: I - Synthesis in the supernova phase and processing by the reverse shock in the clumpy remnant

Chiara Biscaro, Isabelle Cherchneff|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 43被引用数 24

ひとこと要約

本研究は、タイプIIb超新星残骸カシオペアAにおけるダストおよび分子の形成をモデル化し、低密度の噴出物では顕著なダストクラスタが形成されないことを示している。代わりに、高密度クラスタが不可欠である。逆向きの衝撃波は事前に存在するダストを破壊するが、CO や SiO などの分子の再形成を許容する。しかし、衝撃後のガス密度が不十分なため、ダストクラスタの再形成は失敗する。これは、観測されたダストの多様性と質量を説明するには、クラスタ状の噴出物が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

Aims: We study the chemistry of the Type IIb supernova ejecta that led to the Cas A supernova remnant to assess the chemical type and quantity of dust that forms and evolves in the remnant phase. We later model a dense oxygen-rich ejecta knot that is crossed by the reverse shock in Cas A to study the evolution of the clump gas phase and the possibility to reform dust clusters in the post-reverse shock gas. Methods: A chemical network including all processes efficient at high gas temperatures and densities is considered. The formation of key bimolecular species (CO, SiO) and dust clusters is described. Stiff, coupled, ordinary, differential equations are solved for the conditions pertaining to both the SN ejecta and the post-reverse shock gas. Results: We find that the ejecta of Type IIb SNe are unable to form large amounts of molecules and dust clusters as opposed to their Type II-P counterparts because of their diffuse ejecta. The gas density needs to be increased by several orders of magnitude to allow the formation of dust clusters. We show that the chemical composition of the dust clusters changes drastically and gains in chemical complexity with increasing gas density. Hence, the ejecta of the Cas A supernova progenitor must have been in the form of dense clumps to account for the dust chemical composition and masses inferred from infrared observations of Cas A. We show that the ejecta molecules in a clump that is processed by the reverse shock reform in the post-reverse shock gas with lower abundances than those of the initial ejecta clump, except SiO. These molecules include CO, SiS and O2. Dust clusters are destroyed by the reverse shock and do not reform in the post-reverse shock gas, even for the highest gas density. These results indicate that the synthesis of dust grains from the gas phase in the dense knots of Cas A and in other supernova remnants is unlikely.

研究の動機と目的

• タイプIIb超新星、特にカシオペアAの噴出物で形成されるダストの化学的組成と質量を評価すること。
• カシオペアに観測されたダストが均一な噴出物から形成された可能性があるのか、あるいは高密度クラスタを必要とするのかを特定すること。
• 逆向き衝撃波が通過する高密度酸素豊富な噴出物の断片の化学的進化をモデル化すること。
• 逆向き衝撃後のガス相で分子およびダストクラスタの再形成可能性を評価すること。
• カシオペアAにおけるダストの観測された化学的多様性を、その形成環境の物理的条件と結びつけること。

提案手法

• 高温度・高密度の気相反応に特化した詳細な化学ネットワークを用いて、超新星噴出物および衝撃後の条件を模擬した。
• ガス密度と温度の変動下で時間に依存する化学的進化をシミュレートするため、剛性の高い連立常微分方程式を用いた。
• 熱的分解、二分子反応、放射的付加、衝突による解離、イオン-分子反応などのプロセスを含む。
• 炭化物、硫化物、純金属、非晶質炭素を含む、ケイ酸塩、アルミナ、ジルコニア、金属炭化物、硫化物、純金属、非晶質炭素のダストクラスタ形成をモデル化した。
• 逆向き衝撃波（140–200 km/s の速度）を高密度クラスタに作用させ、その後の衝撃後進化をシミュレートした。
• スパイトル、ヘーシェル、ALMA からの観測データと比較して、モデル予測の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプIIb超新星であるカシオペアAのような低密度噴出物で、顕著なダストクラスタが形成可能か？
• RQ2 ガス密度が超新星噴出物における気相反応からのダストクラスタ核生成に果たす役割は何か？
• RQ3 CO、SiO、SiS などの分子が衝撃による破壊後に逆向き衝撃後のガス相でどの程度再形成されるか？
• RQ4 逆向き衝撃後のガス相でダストクラスタが再形成可能か。もし不可能ならば、その理由は何か？
• RQ5 ダスト粒子の化学的複雑性は、噴出物の初期ガス密度にどのように依存するか？

主な発見

• タイプIIb超新星の噴出物は、ダストクラスタを顕著に形成するにはあまりに希薄である。核生成を可能にするにはガス密度を200–2000倍に高める必要がある。
• ダストクラスタの化学的複雑性はガス密度に比例し、非晶質炭素は最高密度でのみ形成される。
• CO、SiO、SiS、O2 などの分子は逆向き衝撃後のガス相で再形成され、強い衝撃でその濃度が増加する。
• ケイ酸塩、炭化物、非晶質炭素を含むダストクラスタは、衝撃後のガス相で再形成されない。これはガス密度が不十分なためである。
• カシオペアAにおける観測されたダストの多様性と質量は、均一な噴出物よりも少なくとも200倍の密度対比を持つ高密度クラスタ状の前身星噴出物を必要としている。
• 衝撃後領域に温暖で高密度のガス（n_gas ~ 10^6 cm⁻³）が存在することは、モデルの予測である100日程度の時間スケールでの分子再形成を支持している。