[論文レビュー] X-ray Evidence for Spectroscopic Diversity of Type Ia Supernovae: XMM observation of the elemental abundance pattern in M87

A. Finoguenov, Kyoko Matsushita+3 more|ArXiv.org|Oct 23, 2001

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 53被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、M87の高温の星間および銀河団間物質における元素のフルオアレンスをXMM-Newton X線観測により測定し、Si群元素とFeの比の変動を通じて、Type Ia超新星（SNe Ia）における分光的多様性を明らかにした。主な結果として、M87の中心領域におけるSNe Iaの元素増殖は、完全なケイ酸素燃焼が行われていない（高Si/Fe比）が、外側の銀河団領域ではSi/Fe比とNi/Fe比が低く、これはSNe Iaの火炎前駆と遅延爆発モデルの混合が必要であることを示唆している。

ABSTRACT

We present the results of a detailed element abundance study of hot gas in M87, observed by XMM-Newton. We choose two radial bins, 1'-3' and 8'-16' (8'-14' for EMOS; hereafter the central and the outer zones), where the temperature is almost constant, to carry out the detailed abundance measurements of O, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca, Fe and Ni using EPIC-PN (EPN) and -MOS (EMOS) data. First, we find that the element abundance pattern in the central compared to the outer zone in M87 is characterized by SN Ia enrichment of a high (roughly solar) ratio of Si-group elements (Si, S, Ar, Ca) to Fe, implying that Si burning in SN Ia is highly incomplete. In nucleosynthesis modeling this is associated with either a lower density of the deflagration-detonation transition and/or lower C/O and/or lower central ignition density and observationally detected as optically subluminous SNe Ia in early-type galaxies. Second, we find that SN Ia enrichment has a systematically lower ratio of the Si-group elements to Fe by 0.2 dex in the outer zone associated with the ICM of the Virgo cluster. We find that such a ratio and even lower values by another 0.1 dex are a characteristic of the ICM in many clusters using observed Si:S:Fe ratios as found with ASCA. Third, the Ni/Fe ratio in the central zone of M87 is 1.5+/-0.3 solar (meteoritic), while values around 3 times solar are reported for other clusters. In modeling of SN Ia, this implies a reduced influence of fast deflagration SN Ia models in the chemical enrichment of M87's ISM. Thus, to describe the SN Ia metal enrichment in clusters, both deflagration as well as delayed detonation scenarios are required, supporting a similar conclusion, derived from optical studies on SNe Ia. Abridged.

研究の動機と目的

• 高分解能のXMM-Newton EPICデータを用いて、M87の高温ガスにおける酸素（O）、ネオン（Ne）、マグネシウム（Mg）、ケイ素（Si）、硫黄（S）、アルゴン（Ar）、カルシウム（Ca）、鉄（Fe）、ニッケル（Ni）の詳細な元素フルオアレンスを測定すること。
• M87の中心領域および外側領域における元素パターンの分析を通じて、Type Ia超新星（SNe Ia）の核合成生成物を調査すること。
• 観測されたSi/FeおよびNi/Fe比と理論的予測を比較することで、SNe Ia爆発モデルを制約すること。
• X線ガスのフルオアレンスとM87の球状星団の性質、特に隠れた金属不足の星族との関連を検討すること。
• SNe IaとSNe IIの寄与が星間および銀河団間物質の金属増殖に果たす役割を評価すること。

提案手法

• M87の観測には、XMM-Newton EPIC-PNおよびEPIC-MOS機器を用い、2つの半径領域（1′–3′：中心領域、8′–16′：外側領域）を対象とし、EMOSデータは14′まで延長された。
• K殻およびL殻の発光ラインから元素フルオアレンスを導出し、校正とスペクトルフィッティングを慎重に行うことで、系統的不確実性を最小限に抑えた。
• 中心領域および外側領域におけるSi/Fe、S/Fe、Ar/Fe、Ca/Fe、Ni/Feといったフルオアレンス比を測定し、SNe Iaの核合成を調べた。
• 観測された元素パターンを、火炎前駆と遅延爆発モデルからの理論的SNe Ia生成物と比較した。
• Fe-L複合体からの汚染が少ないことから、酸素（O）のフルオアレンスを、SNe IIの寄与を区別するための主要なトレーサーとした。
• 比較のため、メテオリットの太陽フルオアレンス（Anders & Ebhuisen 1989）およびWoosley & Weaver（1995）のモデルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XMM-Newtonによる観測で測定されたM87の中心領域および外側領域における高温ガスの元素フルオアレンスパターンはどのようなものか？
• RQ2 M87の中心領域および外側領域におけるSi群元素とFeの比は、SNe Iaにおけるケイ素燃焼の完全性をどのように制約するか？
• RQ3 観測されたNi/Fe比は、SNe Iaの高速火炎前駆と遅延爆発モデルの相対的寄与がM87の化学的増殖に与える影響をどのように示唆するか？
• RQ4 X線から導かれたフルオアレンスと光学的金属量測定値を比較すると、どのような結果が得られ、これは隠れた金属不足の星族にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 M87のハローにおける観測されたフルオアレンスパターンは、単一のSNe Iaモデルで説明可能か、それとも複数の爆発メカニズムの混合が必要か？

主な発見

• M87の中心領域におけるSi/Fe比は、EPNで1.12、EMOSで1.24であり、外側領域（0.60および0.66）よりも顕著に高い。これは、SNe Iaにおけるケイ素燃焼が不完全であることを示唆している。
• 外側領域では、中心領域と比較してSi群元素とFeの比が0.2 dex低く、ASCAで観測された他の銀河団のICMフルオアレンスパターンと整合的である。
• 中心領域におけるNi/Fe比は、メテオリット基準で1.5 ± 0.3太陽単位であり、他の銀河団で見られる3×太陽単位の値と比べて顕著に低い。これは、高速火炎前駆SNe Iaモデルの寄与が減少していることを示している。
• M87の観測フルオアレンスパターンは、高速火炎前駆と遅延爆発SNe Iaモデルの両方の混合が必要であることを示しており、光学的SNe Ia研究の結論を支持している。
• 中心領域における酸素（O）のフルオアレンスは0.55太陽単位、外側領域では0.37太陽単位であり、SNe IIとSNe Iaの寄与の混合と整合的である。SNe IIの生成物は、Nomoto et al.（1997a）のモデルで0.05 dex以内に良好に記述できる。
• 光学的測定値とX線測定値の間の乖離は、X線ガスに寄与しているが光学的調査では見えない隠れた金属不足の星族が存在する可能性によって説明可能である。