[論文レビュー] Origin of central abundances in the hot intra-cluster medium - II. Chemical enrichment and supernova yield models

François Mernier, J. de Plaa+8 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Aug 12, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 105被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、44個の銀河団の高温銀河団中媒体（ICM）における観測されたX線元素比を、超新星核合成モデルと比較した。標準的SNIaおよびSNccモデルは、Ca/FeおよびNi/Fe比を再現できないことが判明した。観測とよりよく一致するのは、炎上と遅延爆発の混合SNIa、あるいはCaに富んだギャップ遷移天体の寄与であり、ICMの化学的増幅に寄与するSNIaの割合は29–45%であると示唆される。これは原始太陽系よりも高い値である。

ABSTRACT

The hot intra-cluster medium (ICM) is rich in metals, which are synthesised by supernovae (SNe) and accumulate over time into the deep gravitational potential well of clusters of galaxies. Since most of the elements visible in X-rays are formed by type Ia (SNIa) and/or core-collapse (SNcc) supernovae, measuring their abundances gives us direct information on the nucleosynthesis products of billions of SNe since the epoch of the star formation peak (z~2-3). In this study, we compare the most accurate average X/Fe abundance ratios (compiled in a previous work from XMM-Newton EPIC and RGS observations of 44 galaxy clusters, groups, and ellipticals), representative of the chemical enrichment in the nearby ICM, to various SNIa and SNcc nucleosynthesis models found in the literature. The use of a SNcc model combined to any favoured standard SNIa model (deflagration or delayed-detonation) fails to reproduce our abundance pattern. In particular, the Ca/Fe and Ni/Fe ratios are significantly underestimated by the models. We show that the Ca/Fe ratio can be reproduced better, either by taking a SNIa delayed-detonation model that matches the observations of the Tycho supernova remnant, or by adding a contribution from the Ca-rich gap transient SNe, whose material should easily mix into the hot ICM. On the other hand, the Ni/Fe ratio can be reproduced better by assuming that both deflagration and delayed-detonation SNIa contribute in similar proportions to the ICM enrichment. In either case, the fraction of SNIa over the total number of SNe (SNIa+SNcc) contributing to the ICM enrichment ranges within 29-45%. This fraction is found to be systematically higher than the corresponding SNIa/SNe fraction contributing to the enrichment of the proto-solar environnement (15-25%). We also discuss and quantify two useful constraints on both SNIa and SNcc that can be inferred from the ICM abundance ratios.

研究の動機と目的

• 銀河団内の高温銀河団中媒体（ICM）の化学的増幅を支配する超新星の種別を特定すること。
• 標準的Ia型超新星（SNIa）およびコアコリージョン型超新星（SNcc）の核合成生成物モデルが、観測されたICMの元素比パターンを再現できるかどうかを検証すること。
• 炎上と遅延爆発の異なるSNIa爆発モデル（および代替的な超新星種別、例：Caに富んだギャップ遷移天体）が、ICMの金属元素増幅に果たす相対的寄与を定量化すること。
• 初期金属量、IMF、低質量星がSNIaを形成する割合といった、重要な天体物理学的パラメータの制約を導出すること。
• 銀河団内におけるSNIaの主要な起源として、爆発的準チャンドラセカール質量白色矮星の爆発モデルが妥当であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 44個の銀河団、銀河団群、楕円銀河のXMM-Newton EPICおよびRGS観測から得られた高精度なX/Fe元素比を、観測的制約として用いた。
• 文献に掲載された、炎上および遅延爆発SNIaモデルを含む、SNIaおよびSNcc核合成生成物モデルのシリーズと、観測された元素比パターンを比較した。
• SNIa爆発物理学に最も感受しやすい、特にCa/FeおよびNi/Fe比といった主要な元素比を分析することで、モデルの適合度を評価した。
• ICMの増幅が原始太陽系の組成とどのように異なるかを比較するため、原始太陽系の元素含有量からの制約を統合した。
• Caに富んだギャップ遷移天体などの代替的超新星チャネルが、観測されたCa/Fe比を再現するにあたり果たす影響を評価した。
• 原子データ、機器キャリブレーション、生成物モデルの不確実性を定量化し、それらがモデル解釈に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的SNIaおよびSNcc生成物モデルは、高温銀河団中媒体内の観測されたX/Fe元素比を再現できるか？
• RQ2 ICM増幅に寄与する超新星のうち、Ia型の割合はどれくらいか？また、これは原始太陽系におけるSNIaの割合と比べてどう異なるか？
• RQ3 ICMにおける高いCa/Fe比は、既知のSNIa爆発モデルで説明可能か？それとも、追加の超新星チャネル（例：Caに富んだギャップ遷移天体）が必要か？
• RQ4 ICMの元素比パターンは、SNccの初期金属量およびIMFにどのような制約を課えるか？
• RQ5 爆発的準チャンドラセカール質量白色矮星の爆発モデルは、銀河団内におけるSNIaの主要な起源として妥当なチャネルと見なせるか？

主な発見

• 標準的SNIaおよびSNccモデルは、ICMにおける観測されたCa/FeおよびNi/Fe比を再現できず、両比とも著しく低く見積もられている。
• Ca/Fe比は、タイコの残骸に一致する遅延爆発SNIaモデル、またはCaに富んだギャップ遷移天体からの寄与によって、よりよく再現される。
• Ni/Fe比は、炎上と遅延爆発SNIaがICM増幅に等しく寄与する場合に最もよく一致する。
• ICM増幅に寄与するSNIaの割合は29–45%と推定され、これは原始太陽系における15–25%よりも顕著に高い。
• SNccの初期金属量はゼロでない必要がある。ゼロ金属量のSNccモデルは、データによって除外される。
• ICM増幅にペア不安定性超新星（PISNe）が顕著に寄与している可能性は、元素比制約に基づいて妥当に除外できる。