[論文レビュー] Significantly super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs as progenitors for peculiar over-luminous type Ia supernovae

Banibrata Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、強い磁場または修正重力が作用する白色矮星が、チャンドラセカール限界を超えて3.4 M☉に達する質量を持つ可能性があり、その爆発が過剰に明るいIa型超新星（SNeIa）を生じると提案している。ニュートン的、一般相対性理論的、および修正重力モデルを用いて、このような超チャンドラセカール白色矮星が安定して存在可能であり、特異的で明るいSNeIaへと爆発する可能性を示している。これはチャンドラセカール限界の独自性を挑戦し、宇宙論における第二の標準キャンドルを示唆する。

ABSTRACT

Since 2012, we have initiated developing systematically the simplistic to rigorous models to prove that highly super-Chandrasekhar, as well as highly sub-Chandrasekhar, limiting mass white dwarfs are possible to exist. We show that the mass of highly magnetized or modified Einstein's gravity induced white dwarfs could be significantly super-Chandrasekhar and such white dwarfs could altogether have a different mass-limit. On the other hand, type Ia supernovae (SNeIa), a key to unravel the evolutionary history of the universe, are believed to be triggered in white dwarfs having mass close to the Chandrasekhar-limit. However, observations of several peculiar, over- and under-luminous SNeIa argue for exploding masses widely different from this limit. We argue that explosions of super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs result in over-luminous SNeIa. We arrive at this revelation, first by considering simplistic, spherical, Newtonian white dwarfs with constant magnetic fields. Then we relax the Newtonian assumption and consider the varying fields, however obtain similar results. Finally, we consider a full scale general relativistic magnetohydrodynamic description of white dwarfs allowing their self-consistent departure from a sphere to ellipsoid. Subsequently, we also explore the effects of modified Einstein's gravity. Our finding questions the uniqueness of the Chandrasekhar-limit. It further argues for a possible second standard candle, which has many far reaching implications.

研究の動機と目的

• 標準的光度-伸び率関係から逸脱する特異的かつ過剰に明るいIa型超新星（SNeIa）の起源を説明すること。
• 強い磁場や修正重力といった極端な物理的条件下で、白色矮星がチャンドラセカール限界を超える可能性があるかどうかを調査すること。
• このような超チャンドラセカール白色矮星が安定して存在可能であり、核融合爆発によって過剰に明るいSNeIaを引き起こすかどうかを特定すること。
• 修正アインシュタイン重力が、同時に超および準チャンドラセカール限界質量を説明可能かどうかを検討し、過剰および不足明るさのSNeIaを統一的に解釈すること。
• 星間物理学におけるチャンドラセカール限界とアインシュタインの重力の普遍性を挑戦し、より広範な質量限界フレームワークを提唱すること。

提案手法

• 電子エネルギー準位のランダウ量子化を用いて、一定磁場下の球対称でニュートン的白色矮星をモデル化する。
• 非球対称で楕円体の白色矮星を扱うために、一般相対性理論的磁気流体力学（GRMHD）に拡張し、自己自己磁場および重力的効果を一貫して取り入れる。
• 星宝インスタント型重力（パラメータαを伴う）を用いて修正アインシュタイン重力を組み込み、密度に依存する質量限界を導出する。
• 修正重力下での修正トールマン＝オッペンハイマー＝ボルコフ方程式を解き、質量-半径関係および安定最大質量を計算する。
• フェルミ運動量とランダウ準位の量子化を用いて、強い磁場下における電子degeneracy圧を計算する。
• 核密度（ρc）が質量および重力パラメータに依存する仕組みを分析し、重力的不安定性の閾値を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場や修正重力の下で、チャンドラセカール限界を著しく超える質量を持つ白色矮星が存在可能か？
• RQ2 超チャンドラセカール白色矮星は、標準SNeIaよりも光度曲線が速やかに減衰し、より高い運動エネルギーを持つ過剰に明るいSNeIaを引き起こすか？
• RQ3 修正重力が、白色矮星における超および準チャンドラセカール限界質量を同時に説明可能か。これにより過剰および不足明るさのSNeIaが統一的に解釈可能か？
• RQ4 チャンドラセカール限界は依然として一意的か、極端な物理的条件下で一般化可能か？
• RQ5 SNeIaがすべて標準キャンドルでない、すなわち前身星質量の範囲にわたる場合、宇宙論にどのような影響があるか？

主な発見

• 非常に強い磁場を有する白色矮星は、チャンドラセカール限界の80％以上高い新たな質量限界を有し、磁場プロファイルに応じて2.6–3.4 M☉に達する。
• GRMHDフレームワークにおいて、強い磁場を有する楕円体白色矮星は、チャンドラセカール限界を著しく超える安定な質量を維持でき、過剰に明るいSNeIaの前身星と整合的である。
• 修正アインシュタイン重力（星宝インスタント型）により、α > 0の場合は1.8–2.7 M☉の超チャンドラセカール限界質量が得られ、α < 0の場合は0.81–1.31 M☉の準チャンドラセカール質量が得られる。
• α > 0の場合、最大質量は核密度10¹¹ gm/ccで発生し、その核温度は核融合の急激な発火を引き起こすのに十分な値を示す。
• 修正重力における有効パラメータαは密度に依存する項として作用し、極端な質量限界を安定化させるシャメレオン効果を生じる。
• 爆発する超チャンドラセカール白色矮星の理論的質量範囲（2.3–2.8 M☉）は、観測された過剰に明るいSNeIaの質量と一致し、モデルの妥当性を裏付ける。