[논문 리뷰] Double detonations of sub-Chandrasekhar mass CO white dwarfs: Can different core and He shell masses explain variations of Type Ia supernovae?

Sabrina Gronow, Christine E. Collins외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 86인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 타입 Ia 초신성의 원천 메커니즘으로서 헬륨 막대를 가진 초-찬드라세카르 질량 이하의 탄소-산소 백색왜성에서의 이중 폭발 폭발을 조사한다. Arepo 코드를 사용한 3차원 유체역학 시뮬레이션과 ARTIS를 통한 복사전달을 통해, 핵 및 헬륨 막대 질량, 그리고 금속성의 변화가 하위광도에서 정상적인 사건까지 다양한 타입 Ia 초신성 밝기를 재현할 수 있음을 보여주지만, 관측치와 비교할 때 40일 후의 감쇠율을 과대 예측한다.

ABSTRACT

Sub-Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs (CO WDs) with a surface helium (He) shell have been proposed as progenitors of Type Ia supernovae (SNe Ia). If true, the resulting thermonuclear explosions should be able to account for at least some of the range of SNe Ia observables. To study this, we conduct a parameter study based on 3D simulations of double detonations in CO WDs with a He shell, assuming different core and shell masses. An admixture of C to the shell and solar metallicity are included in the models. The hydrodynamic simulations are carried out using the AREPO code. This allows us to follow the He shell detonation with high numerical resolution, and improves the reliability of predicted nucleosynthetic shell detonation yields. The addition of C to the shell leads to a lower production of 56Ni while including solar metallicity increases the production of IMEs. The production of higher mass elements is further shifted to stable isotopes at solar metallicity. Moreover, we find different core detonation ignition mechanisms depending on the core and shell mass configuration. This has an influence on the ejecta structure. We present the bolometric light curves predicted from our explosion simulations using the radiative transfer code ARTIS, and make comparisons with SNe Ia data. The bolometric light curves of our models show a range of brightnesses, able to account for sub-luminous to normal SNe Ia. We show the model bolometric width-luminosity relation compared to data for a range of viewing angles. We find that, on average, our brighter models lie within the observed data. The ejecta asymmetries produce a wide distribution of observables, which might account for outliers in the data. However, the models overestimate the extent of this compared to data. We also find the bolometric decline rate over 40 days appears systematically faster than data. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 서브-찬드라세카르 질량 CO 백색왜성의 핵 및 헬륨 막대 질량 변화가 관측된 타입 Ia 초신성(SN Ia) 밝기 다양성을 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 헬륨 막대의 금속성(태양 금속성 대비 0)이 핵합성 수확량과 볼로메트릭 빛 곡선에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 다양한 핵 폭발 Ignition 메커니즘(수렴파, 가위, 가장자리 점화)이 분출 물질의 비대칭성과 관측 가능한 특성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 모의 볼로메트릭 빛 곡선을 관측된 SN Ia 데이터와 비교하여, 특히 폭넓기-밝기 관계와 감쇠율을 평가하는 것.
• 시야각 의존성 관측량과 그들이 SN Ia 데이터 해석에 미치는 영향, 특히 이질적 사례와 산란에 대한 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• 다양한 핵 및 헬륨 막대 질량을 가진 CO 백색왜성에서의 이중 폭발을 모의하기 위해 Arepo 코드를 사용한 3차원 유체역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 핵합성 및 투과도에 미치는 영향을 평가하기 위해 헬륨 막대에 탄소 혼합 및 태양 금속성을 통합하였다.
• 다양한 시야각에서 폭발 시뮬레이션으로부터 볼로메트릭 빛 곡선을 계산하기 위해 몬테카를로 복사전달 코드 ARTIS를 사용하였다.
• 특히 56Ni 생산량을 포함한 핵합성 수확량을 추적하고, 다양한 폭발 점화 메커니즘으로부터 유도된 분출 물질의 구조 및 비대칭성을 분석하였다.
• Scalzo 등(2019)의 볼로메트릭 SN Ia 데이터 세트와 비교하여 모의 빛 곡선(Δm40(bol) 포함)의 정확도를 평가하였다.
• 비대칭 56Ni 분포가 관측된 밝기 및 감쇠율에 미치는 영향을 정량화하기 위해 각도 의존성 관측량을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서브-M$_{\text{Ch}}$ CO 백색왜성의 핵 및 헬륨 막대 질량 변화가 관측된 타입 Ia 초신성의 최대 밝기 범위를 재현할 수 있는가?
• RQ2 헬륨 막대에 태양 금속성이 포함될 경우 핵합성 수확량과 볼로메트릭 빛 곡선의 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 질량 구성에서 핵 폭발 점화 메커니즘의 주요 원인은 무엇이며, 이들이 분출 물질의 비대칭성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모의 볼로메트릭 빛 곡선이 관측된 폭넓기-밝기 관계 및 감쇠율(예: Δm40(bol))과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 시야각 의존성 관측량은 SN Ia 데이터 해석에 어떤 영향을 미치며, 이는 데이터의 이질적 사례나 산란을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 다양한 핵 및 헬륨 막대 질량을 가진 모델은 56Ni 질량의 범위를 생성하여 하위광도에서 정상적인 SN Ia 최대 밝기를 재현할 수 있다.
• 태양 금속성이 포함될 경우 중간 질량 원소(IMEs)의 생산이 증가하고 더 무거운 원소가 안정 이sov형으로 이동하는 경향을 보이며, 막대에 탄소가 존재할 경우 56Ni 수확량이 감소한다.
• 볼로메트릭 빛 곡선은 비대칭 56Ni 분포로 인해 시야각에 매우 강하게 의존하며, 더 밝은 시야각에서는 더 높은 최대 밝기를 보인다.
• 이 연구에서 가장 밝은 모델들은 관측된 폭넓기-밝기 관계 내에 포함되지만, 가장 어두운 모델은 어떤 관측된 SN Ia보다도 어두럽다.
• 모델은 40일 후 감쇠율(Δm40(bol))을 과대 예측하여 관측된 SNe Ia보다 더 빠르게 감쇠함을 보이며, 이는 모델에서 투과도가 낮거나 질량/속도/성분이 잘못 설정되었을 가능성을 시사한다.
• 관측된 SN Ia 샘플보다 선형 시야 관측량의 분포가 더 넓기 때문에, 분출 물질의 비대칭성만으로는 데이터의 산란을 완전히 설명할 수 없다.