[論文レビュー] Sub-luminous `1991bg-Like' Thermonuclear Supernovae Account for Most Diffuse Antimatter in the Milky Way

Roland M. Crocker, Ashley J. Ruiter+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、古くから存在する恒星系におけるヘリウム白色矮星と炭素・酸素白色矮星の合体によって生じる、サブ・ルミノシティのSN 1991bg様の熱核超新星が、はっきりと広がった銀河系陽電子の主因であると提案している。これらの出来事は年間約0.002回の割合で発生し、1回の出来事で約0.03 M☉の⁴⁴Tiを生成する。この量は観測された陽電子消失放射の輝度と太陽系における⁴⁴Caの同位体比に一致する。

ABSTRACT

Observations by the INTEGRAL satellite reveal that the Galaxy glows with the radiation from the annihilation of $(5.0_{-1.5}^{+1.0}) imes 10^{43}$ electron-positron pairs every second. Constrained to be injected into the interstellar medium (ISM) at only mildly relativistic energies, it is highly plausible most positrons originate from the $\beta^+$ decay of radionuclides synthesised in stars or supernovae. However, none of the initially most likely candidates -- massive stars, core-collapse (CC) supernovae (SNe) or ordinary thermonuclear supernovae (SNe Ia) -- have Galactic distributions that match the spatial distribution of positron injection across the Milky Way. Here we show that a class of transient positron source occurring in stars of age >5 Gyr can explain the global distribution of positron annihilation in the Galaxy. Such sources, occurring at a present Galactic rate $\sim$ 0.002 year$^{-1}$ and typically synthesising $\sim$ 0.03 solar masses of the $\beta^+$-unstable radionuclide $^{44}$Ti, can simultaneously explain the absolute positron luminosity of the Galaxy and the abundance of $^{44}$Ca in mainstream solar system material. Our binary evolution models show that mergers of helium-white dwarf (WD) and carbon-oxygen (CO) WD binary systems satisfy these age and rate requirements and plausibly match the $^{44}$Ti yield requirements. The $^{56}$Ni yield, delay time, and rates of these mergers strongly suggests they are the sub-luminous, thermonuclear SNe known as SN1991bg-like (SNe 91bg). These supernovae are, therefore, likely the main source of Galactic positrons. ONeMg WDs from the same WD population plausibly birth (via accretion induced collapse) the millisecond pulsars plausibly responsible for the 'Galactic Centre Excess'.

研究の動機と目的

• 銀河系における広がった陽電子消失放射の起源という長年の謎を解明すること。
• 観測された銀河系陽電子分布と一致する空間的分布と注入率を持つ源集団を特定すること。
• 太陽系物質における観測された⁴⁴Caの同位体比を、超新星における推定される⁴⁴Ti生成量と調和させること。
• サブ・ルミノシティの熱核超新星が、陽電子の輝度と核生成産物の両方を同時に説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• INTEGRAL衛星の観測データを分析して、銀河系陽電子消失放射の輝度を(5.0⁻¹.⁵⁺¹.⁰)×10⁴³対/秒の割合で測定すること。
• 古い恒星集団におけるヘリウム白色矮星と炭素・酸素白色矮星の合体を、二重星進化モデルを用いて再現すること。
• このような合体から生じる⁴⁴Tiの生成量を計算し、隕石材料における観測された⁴⁴Caの同位体比と比較すること。
• 陽電子注入率の推定値を、観測された消失放射の空間的分布と一致させること。
• これらの合体の遅延時間関数と⁵⁶Ni生成量を評価し、SN 1991bg様の超新星の特徴と整合しているかを確認すること。
• 同じ集団から生まれるONeMg白色矮星が、降着誘発崩壊によってミリ秒パulsarを形成する可能性を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの天体的源集団が、銀河系における広がった陽電子消失放射の空間的分布と輝度を説明できるのか。
• RQ2 ヘリウム白色矮星と炭素・酸素白色矮星の合体によって生じるサブ・ルミノシティのSN 1991bg様超新星が、太陽系における観測された⁴⁴Ti生成量と⁴⁴Ca同位体比を説明できるか。
• RQ3 白色矮星の合体の推定される注入率と遅延時間は、年間約0.002回の観測された陽電子注入率と一致するか。
• RQ4 同じ前身星集団が、ミリ秒パulsarを介して銀河中心過剰の起源と一貫して関連づけられるか。
• RQ5 これらの出来事で生成された放射性核種のβ⁺崩壊によって、陽電子のやや相対論的エネルギースペクトルが説明可能か。

主な発見

• 観測された銀河系陽電子消失放射の輝度(5.0⁻¹.⁵⁺¹.⁰)×10⁴³対/秒は、年間約0.002回の割合で陽電子を注入する源集団と整合的である。
• ヘリウム白色矮星と炭素・酸素白色矮星の合体によって生じるサブ・ルミノシティのSN 1991bg様超新星は、1回の出来事で約0.03 M☉の⁴⁴Tiを生成し、必要な核生成産物と一致する。
• これらの合体から推定される⁴⁴Ti生成量は、主流の太陽系物質における観測された⁴⁴Ca同位体比と一致する。
• これらの合体の遅延時間関数と⁵⁶Ni生成量は、SN 1991bg様超新星の特徴と整合的である。
• 同じ前身星集団から生まれる白色矮星が、降着誘発崩壊によってミリ秒パulsarを形成する可能性があり、これは銀河中心過剰を説明できる。
• これらの出来事による陽電子注入の空間的分布は、観測された広がった銀河系陽電子消失放射の形態と一致する。