[論文レビュー] Normal type Ia supernovae from disruptions of hybrid He-CO white-dwarfs by CO white-dwarfs

Hagai B. Perets, Yossef Zenati+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 62被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、炭素酸素（CO）白色矮星とヘリウム-炭素酸素（He-CO）ハイブリッド白色矮星の合体が、通常のIa超新星を生成可能であると提唱している。ヘリウム豊富な層が最初に爆発し、COコアを10⁷ g cm⁻³を超える密度に圧縮することで、2番目の爆発が引き起こされ、観測されたピーク光度（M_B ≈ −18.4 から −19.2）に一致する⁵⁶Ni生成量が得られる。これにより、通常のSNe Iaの多様性と発生率が説明できる。

ABSTRACT

Type Ia supernovae (SNe) are thought to originate from the thermonuclear explosions of carbon-oxygen (CO) white dwarfs (WDs). The proposed progenitors of standard type Ia SNe have been studied for decades and can be, generally, divided into explosions of CO WDs accreting material from stellar non-degenerate companions (single-degenerate; SD models), and those arising from the explosive interaction of two CO WDs (double-degenerate; DD models). However, current models for the progenitors of such SNe fail to reproduce the diverse properties of the observed explosions, nor do they explain the inferred rates and the characteristics of the observed populations of type Ia SNe and their expected progenitors. Here we show that the little-studied mergers of CO-WDs with hybrid Helium-CO (He-CO) WDs can provide for a significant fraction of the normal type Ia SNe. Here we use detailed thermonuclear-hydrodynamical and radiative-transfer models to show that a wide range of mergers of CO WDs with hybrid He-CO WDs can give rise to normal type Ia SNe. We find that such He-enriched mergers give rise to explosions for which the synthetic light-curves and spectra resemble those of observed type Ia SNe, and in particular, they can produce a wide range of peak-luminosities, MB(MR)~ 18.4 to 19.2 (~ 18.5 to 19:45), consistent with those observed for normal type Ia SNe. Moreover, our population synthesis models show that, together with the contribution from mergers of massive double CO-WDs (producing the more luminous SNe), they can potentially reproduce the full range of type Ia SNe, their rate and delay-time distribution.

研究の動機と目的

• 標準的な単一増殖および二重増殖の前身星モデルでは依然としてうまく再現されない、通常のIa超新星の起源を説明するという長年の課題に取り組む。
• これまでSN Iaの前身星研究で無視されてきた、ハイブリッドHe-CO白色矮星が、通常のSNe Iaの有効な前身星として機能できるかどうかを調査する。
• このようなハイブリッドWDを含む合体が、観測されたピーク光度、光曲線、および遅延時間分布を再現できるかどうかを明らかにする。
• ヘリウム層の爆発に起因する衝撃圧縮が、通常は igniting できない低質量COコア（0.7 M⊙ 未満）を爆発的に燃焼可能にする役割を果たすかどうかを評価する。

提案手法

• CO白色矮星とハイブリッドHe-CO白色矮星の合体を、詳細な核反応およびエネルギー放出を含めた2次元軸対称流体力学的シミュレーションでモデル化した。
• シミュレートされた爆発の力学と組成から、光曲線およびスペクトルを合成するための放射線輸送計算を実施した。
• ヘリウム層の爆発に続くCOコアの衝撃圧縮に注目し、密度、温度、組成の進化を追跡した。
• 縮重物質（γ = 4/3）の断熱指数に基づく衝撃波前での密度増幅を推定するための衝撃圧縮モデルを適用した。
• Kroupa初期質量関数、均一な質量比、対数均一な軌道分離、熱的離心率分布を用いた人口合成モデルを用い、合体率および遅延時間分布を推定した。
• 合成された光曲線およびスペクトルを観測された通常のIa超新星と比較し、モデルが観測と整合することを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO白色矮星とハイブリッドHe-CO白色矮星の合体が、観測されたピーク光度を持つ通常のIa超新星を生成できるか？
• RQ2 ヘリウム層の爆発に起因する衝撃圧縮が、低質量COコア（≤0.7 M⊙）の爆発的燃焼を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 このような合体が、観測された遅延時間分布および通常のIa超新星の総発生率を再現できるか？
• RQ4 これらの合体から得られる合成光曲線およびスペクトルが、観測された通常のSNe Iaの多様性と特徴を再現できるか？

主な発見

• CO白色矮星とハイブリッドHe-CO白色矮星の合体は、合成光曲線およびスペクトルが観測された通常のIa超新星とよく一致し、ピーク絶対等級がM_B ≈ −18.4 から −19.2の範囲に収まる。
• ヘリウム豊富な層が最初に爆発し、COコアを10⁷ g cm⁻³を超える密度に圧縮することで、その後の爆発が引き起こされ、⁵⁶Niの効率的生成が可能になる。
• CO白色矮星でさえも0.7 M⊙の低質量であっても、十分に圧縮されて爆発的燃焼に必要な高密度状態に達できることを示し、最小質量閾値に関する従来の仮定に疑問を呈する。
• このモデルは、通常のものおよびわずかに明るめのSNeを含む広範なピーク光度を再現でき、通常のSN Ia集団の統一的起源を示唆する。
• 人口合成モデルの結果、このような合体に加え、質量の大きなCO-CO合体を組み合わせることで、観測された総発生率および遅延時間分布を再現できる。
• 2次元シミュレーションから、このメカニズムによる⁵⁶Niを豊富に含む爆発を生じるCO WDの下限は約0.7 M⊙であると示唆されるが、3次元効果によりわずかに上昇する可能性がある。