[論文レビュー] Simulating the observed diversity of Type Ia supernovae - Introducing a model data base

M. Kromer, Sebastian T. Ohlmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、さまざまな前身星シナリオと爆発メカニズムをシミュレートすることで、観測された光曲線、スペクトル、および核融合生成物の多様性を説明する、Ia超新星の3次元数値爆発モデルの包括的セットを提示する。また、70のモデルが複数の前身星タイプと爆発チャネルにわたって提供される、公開可能なデータベース「ハイデルベルク超新星モデルアーカイブ（HESMA）」を導入する。HESMAは、同定された核種の質量分率、半径平均化された噴出物プロファイル、および合成観測量（光曲線およびスペクトル）を提供する。

ABSTRACT

Despite the importance of Type Ia supernovae (SNe Ia) for modern astrophysics, their detailed mechanism is still not fully understood. In this contribution, we present recent findings from numerical explosion models in the context of the observed diversity of SNe Ia and we discuss how these models can help to shed light on the explosion mechanism and the progenitor stars of SNe Ia. In addition, we introduce the Heidelberg Supernova Model Archive (HESMA), a new online data base where we provide integrated isotopic abundances and radially averaged ejecta profiles and synthetic observables for a wide range of state-of-the-art explosion models.

研究の動機と目的

• 観測されたIa超新星の多様性を、さまざまな前身星シナリオと爆発メカニズムの詳細な数値モデルによって再現すること。
• 観測された明るさとスペクトルの多様性の背後にある前身星系と爆発メカニズムの未解決の問題に取り組むこと。
• 理論的モデルと観測データの直接比較を可能にするコミュニティリソースを提供すること。
• 乱流、混合、および爆発幾何学的構造が、光曲線やスペクトルなどの合成観測量に与える影響を定量化すること。
• 通常のSN Iaのピーク光度と光曲線幅関係を再現できるモデルを同定することで、宇宙論的距離測定を支援すること。

提案手法

• 炭素・酸素白色矮星における3次元爆発力学をシミュレートするために、流体力学コードLEAFSを用いた。
• トレーサー粒子の熱力学的経路に沿って、384種類の核種反応ネットワークを用いて核種質量分率を計算した。
• 合成UVOIR全波長光度曲線および光学・ガンマ線スペクトル時系列を生成するために、モンテカルロ放射遷移コードARTISを適用した。
• シャンドラセカール質量のデフラグレーション、遅延爆発、重力的閉じ込め爆発、および準シャンドラセカール質量の二重爆発といった前身星シナリオをシミュレートした。
• 激しいCO+CO白色矮星合体をシミュレートするために、GADGETコードを用いた合体シミュレーションを実施した。
• 同次的拡散噴出物の半径平均密度および核種質量分率プロファイル、および角度平均化された合成観測量を生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの爆発メカニズムと前身星構成が、観測された明るさと光曲線幅分布を最もよく再現するか？
• RQ2 デフラグレーションおよび遅延爆発モデルにおける乱流混合と3次元効果は、噴出物内の中程度質量および鉄群元素の分布にどのように影響するか？
• RQ3 準シャンドラセカール質量モデル（二重爆発またはコア爆発を伴うもの）は、観測されたスペクトル的および光度的性質をどの程度再現できるか？
• RQ4 なぜ3次元遅延爆発モデルは、1次元モデルと比較して観測された色-明るさ関係を再現できないのか？
• RQ5 ハイデルベルク超新星モデルアーカイブ（HESMA）は、モデル比較および観測的制約のための堅牢で標準化されたリソースとして機能できるか？

主な発見

• 3次元遅延爆発モデルは、中心部のニッケル豊富領域の外側に、IgE（例：Si、Ca）が顕著に混合されることを示し、これは観測されたスペクトル特徴と矛盾する。
• 1次元遅延爆発モデルは通常のSN Ia光曲線をうまく再現できるが、3次元では混合が抑制されるため失敗する。これは、モデルの現実性において次元性の重要性を示している。
• 準シャンドラセカール質量の二重爆発モデルは、明るさの範囲が広がる56Ni質量（弱いから通常のSN Iaまで）を生成可能であるが、予測されるヘリウムシェル燃焼の痕跡は観測スペクトルと一致しない。
• シャンドラセカール質量のデフラグレーションモデルでは、56Ni質量が約0.4 M☉にとどまり、通常のSN Iaのピーク光度を駆動するには不十分である（必要なのは約0.5–0.6 M☉）。
• ハイデルベルク超新星モデルアーカイブ（HESMA）は、9種類の前身星および爆発タイプにわたる70のモデルを収録しており、詳細な核種質量分率、噴出物プロファイル、および合成観測量を提供する。
• HESMAは、観測データとの直接比較を可能にする、ボリオメトリック光曲線（6–80日）、ガンマ線スペクトル（6–100日）、および光学スペクトル時系列（3500–9500 Å、6–40日）の表形式データを提供する。