[論文レビュー] The progenitors of core-collapse supernovae suggest thermonuclear origin for the explosions

Doron Kushnir|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、核崩壊誘発核炎焼却爆発（CITE）が、標準的な中性子体機構とは異なり、コア収縮超新星（CCSNe）の主因であると提唱している。56Ni質量と前身星の光度のモデルに依存しない相関を用いて、より質量の大きな前身星がより強い爆発を引き起こすことを示しており、これはCITEが前身星質量に応じて運動エネルギーと56Ni産出量が増加することを予測するのと一致し、中性子体駆動爆発モデルとは矛盾する。

ABSTRACT

Core-collapse supernovae (CCSNe) are the explosions of massive stars following the collapse of the stars' iron cores. Poznanski (2013) has recently suggested an observational correlation between the ejecta velocities and the inferred masses of the red supergiant progenitors of type II-P explosions, which implies that the kinetic energy of the ejecta ($E_{ extrm{kin}}$) increases with the mass of the progenitor. I point out that the same conclusion can be reached from the model-free observed correlation between the ejected $^{56}$Ni masses ($M_{ extrm{Ni}}$) and the luminosities of the progenitors for type II supernovae, which was reported by Fraser et al. (2011). This correlation is in an agreement with the predictions of the collapse-induced thermonuclear explosions (CITE) for CCSNe and in a possible contradiction with the predictions of the neutrino mechanism. I show that a correlation between $M_{ extrm{Ni}}$ and $E_{ extrm{kin}}$ holds for all types of CCSNe (including type Ibc). This correlation suggests a common mechanism for all CCSNe, which is predicted for CITE, but is not produced by current simulations of the neutrino mechanism. Furthermore, the typical values of $E_{ extrm{kin}}$ and $M_{ extrm{Ni}}$ for type Ibc explosions are larger by an order of a magnitude than the typical values for II-P explosions, a fact which disfavors progenitors with the same initial mass range for these explosions. Instead, the progenitors of type Ibc explosions could be massive Wolf-Rayet stars, which are predicted to yield strong explosions with low ejecta masses (as observed) according to CITE. In this case, there is no deficit of high mass progenitors for CCSNe, which was suggested under the assumption of a similar mass range for the progenitors of types II-P and Ibc supernovae.

研究の動機と目的

• コア収縮超新星（CCSNe）における観測的相関が、中性子体駆動爆発モデルよりも崩壊誘発核炎焼却爆発（CITE）機構を支持するかどうかを検証すること。
• 前身星質量と爆発強度を結びつけるモデルに依存しない観測的シグネチャを特定し、前身星質量と運動エネルギーの推定における系統的不確実性を回避すること。
• CITEが予測する質量依存の爆発強度傾向を用いて、Ibc型超新星の高質量前身星の見かけの不足を解消すること。
• 同一の物理的メカニズム（CITE）が、II-P型とIbc型を含む全範囲のCCSNeタイプを、共通の質量依存の爆発強度トレンドを通じて説明できることを示すこと。

提案手法

• Fraserら（2011）の観測された56Ni質量（M_Ni）と前身星光度の相関を用い、前身星質量や運動エネルギーの推定における不確実性を回避するモデルに依存しない手法を採用する。
• 光曲線モデリングとスペクトル解析から得られた、複数のCCSNeタイプ（II-P、Ibc、IIb）における56Ni質量と運動エネルギーのコンパイルを分析する。
• CITEモデルの予測と観測されたM_Niおよび運動エネルギーのトレンドを比較する。CITEモデルは、ヘリウム-酸素殻を持つ回転する質量の大きな星における核炎焼却デトネーションを模擬する。
• CITEフレームワークを用いて、前身星質量に応じてM_Niおよび運動エネルギーが増加する傾向を説明する。特に、Ibc型超新星がII-P型イベントよりも顕著に高い値を示す点に注目する。
• 2次元の回転する質量の大きな星のシミュレーションを用いて、CITEがE_kin ~ 10^49–10^52 ergの強力な爆発と最大で約1 M_sunのM_Niを生成することを検証する。
• CITEの予測を中性子体機構と対比し、中性子体機構は観測されたM_Ni–E_kin相関を再現できず、高エネルギーIbcイベントの説明にも困難を伴うことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モデルに依存しない仮定を用いても、質量の大きな前身星がより強いコア収縮超新星爆発を引き起こす観測的証拠はあるか？
• RQ2 56Ni質量と前身星光度の観測された相関は、中性子体駆動爆発モデルよりも崩壊誘発核炎焼却爆発（CITE）機構を支持するか？
• RQ3 なぜIbc型超新星はII-P型超新星と比べて顕著に高い運動エネルギーと56Ni質量を示すのか？これは前身星の違いによって説明可能か？
• RQ4 CITE機構は、II-P型とIbc型を含む全範囲のコア収縮超新星タイプを、一つの物理的枠組みで説明できるか？
• RQ5 CCSNeの観測された爆発特性は、Ibcイベントにおける高質量前身星の不足を示唆するのか、それともタイプ間で共通の前身星質量範囲を仮定することに起因するアーティファクトなのか？

主な発見

• 56Ni質量と前身星光度のモデルに依存しない相関が、より質量の大きな前身星がより強い爆発を引き起こすことを支持しており、これはCITEの予測と一致する。
• 観測されたM_Ni–E_kin相関は、Ibc型とII-P型を含むすべてのCCSNeタイプに成立しており、共通の爆発メカニズムを示唆する。これはCITEが予測するが、中性子体機構では予測されない。
• Ibc型超新星は、典型的にII-P型イベントと比べて運動エネルギーと56Ni質量が約1桁高い。これは異なる前身星集団を示唆する。
• 高エネルギーIbcイベントは、質量の大きなWolf-Rayet星を前身星とするCITEによって最もよく説明される。CITEは、強力で低質量噴出物の爆発を予測する。
• CITEに基づいて解釈すれば、Ibc型超新星の前身星質量範囲は不足していない。これはCCSNe理論における以前のパラドックスを解消する。
• CITEシミュレーションは、ヘリウム-酸素殻を持つ回転する質量の大きな星で、E_kin ~ 10^49–10^52 erg、M_Ni最大で約1 M_sunの強力な爆発が安定して生成されることを示しており、観測されたCCSNe特性と一致する。