[論文レビュー] Molecules and dust in Cassiopeia A: II - Dust sputtering and diagnosis of dust survival in supernova remnants

Chiara Biscaro, Isabelle Cherchneff|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 87被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、超新星残骸におけるダストの生存を評価するために、カシオペアAおよびタイプII-P超新星の塊状噴出物を用いてダストスプラッタリングをモデル化する。非熱的スプラッタリングにより、塊状の高密度領域でダスト質量が40–80%減少し、残骸段階を通過しても初期ダストのうちたった6–11%しか生存しない。しかし、タイプII-P超新星の高密度噴出物は、ダストの14–45%を保持するため、銀河における効率的なダスト生成源であると考えられる。

ABSTRACT

We study the dust evolution in the supernova remnant Cassiopeia A. We follow the processing of dust grains that formed in the Type II-b supernova by modelling the sputtering of grains. The dust is located in dense ejecta clumps crossed by the reverse shock. Further sputtering in the inter-clump medium once the clumps are disrupted by the reverse shock is investigated. The dust evolution in the dense ejecta clumps of Type II-P supernovae and their remnants is also studied. We study oxygen-rich clumps that describe the ejecta oxygen core, and carbon-rich clumps that correspond to the outermost carbon-rich ejecta zone. We consider the dust components formed in the supernova, several reverse shock velocities and inter-clump gas temperatures, and derive dust grain size distributions and masses as a function of time. We find that non-thermal sputtering in clumps is important and accounts for reducing the grain population by ~ 40% to 80% in mass, depending on the clump gas over-density and the grain type and size. A Type II-b supernova forms small grains that are sputtered within clumps and in the inter-clump medium. For Cas A, silicate grains do not survive thermal sputtering in the inter-clump medium. Our derived masses of currently processed silicate, alumina and carbon grains in Cas A agree well with values derived from observations. Grains produced by Type II-P supernovae better survive the remnant phase. For dense ejecta clumps, dust survival efficiencies range between 42% and 98% in mass. For the SN1987A model, the derived surviving dust mass is in the range ~ 0.06-0.13 Msolar. This type of dense supernovae may efficiently provide galaxies with dust. Specifically, silicate grains over 0.1 micron and other grains over 0,05 micron survive thermal sputtering in the remnant. Therefore, pre-solar grains of supernova origin possibly form in the dense ejecta clumps of Type II-P supernovae.

研究の動機と目的

• 超新星噴出物で形成されたダスト粒子が、超新星残骸におけるスプラッタリング過程でどのように生存するかを調査すること。
• 特に非熱的および熱的スプラッタリングに対して、塊状の噴出物構造がダスト処理に与える影響を評価すること。
• 特にタイプII-b（カシオペアA）およびタイプII-P（例：SN1987A）の超新星における、ダストの生存率を特定すること。
• 時間発展を考慮した粒径の進化モデルを用いて、カシオペアAやSN1987Aのような残骸における観測されたダスト質量と理論的予測を一致させること。
• 特に高赤方偏移銀河において、超新星が銀間ダスト予算に果たす貢献を評価すること。

提案手法

• 時間に依存するダストスプラッタリングモデルを用いて、タイプII-b（カシオペアA）およびタイプII-P超新星の高密度噴出物塊におけるダスト進化をシミュレートする。
• 塊内では非熱的スプラッタリングモデルを適用し、塊間領域では熱的スプラッタリングを適用し、衝撃速度およびガス温度を変化させる。
• 非平衡状態下でのダスト核形成および凝集の化学的力学的モデルから導かれる粒径分布を用いる。
• シリケート、アルミナ、SiC、炭素の複数のダスト種を考慮し、粒径に依存するスプラッタリング速度を設定する。
• 時間積分により、塊および塊間領域における進化するダスト質量および粒径分布を計算する。
• シミュレートされたダスト質量を、カシオペアAおよびSN1987Aにおける観測された温ダスト放射と比較し、モデル予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプII-b超新星（例：カシオペアA）における高密度噴出物塊内での非熱的スプラッタリングは、ダスト質量損失にどのように影響するか？
• RQ2 超新星残骸の塊間領域における熱的スプラッタリングで、どの程度のダストが生存するか？
• RQ3 粒径、組成、塊の過密度が、異なる超新星タイプにおけるダスト生存にどのように影響するか？
• RQ4 高密度噴出物を持つタイプII-P超新星は、タイプII-b超新星と比較して、銀間ダスト予算にどの程度貢献するか？
• RQ5 カシオペアAやSN1987Aのような残骸における観測されたダスト質量は、塊状噴出物におけるスプラッタリングモデルで説明可能か？

主な発見

• 非熱的スプラッタリングにより、塊状の高密度領域でダスト質量は、粒種、粒径、衝撃速度、塊の過密度に応じて40–80%減少する。
• カシオペアAでは、シリケート粒子は塊間領域の熱的スプラッタリングに耐えられず、アルミナ、SiC、炭素ダストは生存する可能性がある。
• カシオペアAでは、初期に形成された約0.03 M⊙のダストのうち、残骸段階を通過してもたった6–11%しか生存せず、残りはスプラッタリングによって失われる。
• 高密度噴出物を持つタイプII-P超新星では、ダスト生存率は14%から45%に達し、著しく高い保存効率を示す。
• SN1987Aに類似したモデルでは、ダストの質量生存率が42–98%に達し、生存ダスト質量は0.06–0.13 M⊙に達する。これは、ダスト生成の高効率性を示唆する。
• 0.1 µm以上の粒径（シリケート）および0.05 µm以上の粒径（その他の種）の粒子は熱的スプラッタリングに耐えるため、タイプII-P超新星の高密度塊からの起源を支持する。