[논문 리뷰] Light Curves of Core-Collapse Supernovae with Substantial Mass Loss using the New Open-Source SuperNova Explosion Code (SNEC)

Viktoriya Morozova, Anthony L. Piro외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 25.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 핵붕괴 초신성 광선곡선을 모의하기 위한 오픈소스 1차원 라그랑주 동역학 및 평형확산 복사전달 코드인 SNEC를 소개한다. $15\thinspace M_\text{Sun}$의 원형성에서 다량의 질량 손실이 발생할 경우, 밝기의 평탄한 단계가 20–100일 지속되려면 $\gtrsim 1.5-2\thinspace M_\text{Sun}$ 이상의 수소 기반 물질이 남아 있어야 하며, 이는 저질량 원형성에서 질량 손실가 '전부 또는 없음' 방식으로 일어나며, 이는 이방성 초신성(Type Ib/c)의 형성에 이진 상호작용이 관여할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We present the SuperNova Explosion Code (SNEC), an open-source Lagrangian code for the hydrodynamics and equilibrium-diffusion radiation transport in the expanding envelopes of supernovae. Given a model of a progenitor star, an explosion energy, and an amount and distribution of radioactive nickel, SNEC generates the bolometric light curve, as well as the light curves in different broad bands assuming black body emission. As a first application of SNEC, we consider the explosions of a grid of 15 Msun (at zero-age main sequence) stars whose hydrogen envelopes are stripped to different extents and at different points in their evolution. The resulting light curves exhibit plateaus with durations of ~20-100 days if >~1.5-2 Msun of hydrogen-rich material is left and no plateau if less hydrogen-rich material is left. If these shorter plateau lengths are not seen for Type IIP supernovae in nature, it suggests that, at least for zero-age main sequence masses

연구 동기 및 목표

• 실제 물리 법칙을 반영한 접근 가능한 도구를 개발하여 재현 가능하고 체계적인 모의를 가능하게 하기 위한 오픈소스 소프트웨어를 개발한다.
• $15\thinspace M_\text{Sun}$ 원형성에서 수소 대기권의 질량 손실 정도와 시기의 변화가 광선곡선 형태에 미치는 영향을 조사한다.
• 점진적인 질량 손실이 관측된 타입 IIL 초신성의 다양성을, 특히 초기 기간의 밝기와 평탄한 단계 행동을 설명할 수 있는지 테스트한다.
• 타입 IIb 초신성에서 이중 피크 광선곡선이 나타나는 물리적 원인을 탐색하고, 원형성의 반지름과 잔류 수소 질량과의 관계를 규명한다.
• 단순한 질량 손실 모델이 관측된 타입 IIL 및 IIP 초신성의 광선곡선을 재현하는 데에서 가지는 한계를 평가하며, 확장되거나 구조화된 항성 외부 물질과 같은 보다 복잡한 메커니즘의 필요성을 제기한다.

제안 방법

• SNEC는 주어진 원형성 모델에서 초신성의 폭발과 확장을 모의하기 위해 라그랑주 동역학을 사용한다.
• 광선곡선의 시간에 따른 에너지 투입과 복사 에너지의 탈출을 계산하기 위해 평형확산 복사전달을 적용한다.
• 에너지 투입은 $^{56}\mathrm{Ni}$ 붕괴, 이온화 구조, 투과율 표(OPAL 및 저온 데이터 포함)를 포함하여 정확한 복사전달을 위해 설계되어 있다.
• 광선곡선은 블로메트릭 및 넓은 광학 필터 대역에서 광학적 표면에서의 블랙바디 복사 가정 하에 계산된다.
• 원형성의 구조에 따라 광선곡선 특성의 의존성을 탐색하기 위해 다양한 수소 대기권 질량과 벗겨짐 시간을 가진 $15\thinspace M_\text{Sun}$ 원형성의 격자 모의를 수행한다.
• 기존 결과(예: SN 1999em)와 기존 모델과의 비교를 통해 코드의 타당성과 신뢰성을 확보하기 위해 검증을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타입 IIP 초신성 광선곡선의 평탄한 단계 지속 시간은 원형성의 대기권에 남아 있는 잔류 수소의 양에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 점진적인 질량 손실이 $15\thinspace M_\text{Sun}$ 원형성에서 타입 IIL 초신성의 관측된 광선곡선 형태를 재현할 수 있는가?
• RQ3 이중 피크 광선곡선이 타입 IIb 초신성에서 나타나는 물리적 조건은 무엇이며, 원형성의 반지름과 수소 질량과의 관계는 어떠한가?
• RQ4 관측된 타입 IIP 초신성에서 짧은 평탄한 단계 지속 시간이 관측되지 않는다는 점은, $\lesssim 20\,M_\text{Sun}$ 원형성에서 질량 손실가 '전부 또는 없음' 방식으로 일어나는 것임을 시사하는가?
• RQ5 원형성의 구조적 변화만으로 타입 IIL 초신성의 다양성을 충분히 설명할 수 있는가, 아니면 추가적인 물리 메커니즘(예: 항성 외부 물질 상호작용)이 필요한가?

주요 결과

• 약 $\sim 20-100\,\mathrm{days}$의 평탄한 단계 지속 시간을 가지는 광선곡선은 원형성에 $\gtrsim 1.5-2\,M_\odot$ 이상의 수소 기반 물질이 남아 있을 경우에만 생성된다.
• 만약 자연계에서 타입 IIP 초신성에 대해 이러한 평탄한 단계가 관측되지 않는다면, 이는 $\lesssim 20\,M_\text{Sun}$ 원형성에서 수소 질량 손실가 비연속적이고 '전부 또는 없음' 방식으로 일어나리라는 것을 시사한다.
• 1.5–2 $M_\odot$ 미만의 수소를 가진 모델은 평탄한 단계 없이 나타나며, 이는 타입 Ib/c 초신성의 행동과 일치한다.
• 격자 내에서 가장 많이 벗겨진 모델은 이중 피크 광선곡선을 보이며, 이는 작은 수소 질량과 약 $\sim 500\,R_\odot$ 정도의 반지름을 가진 원형성에서 자연스럽게 발생한다는 것을 확인한다.
• 관측된 타입 IIL 초신성의 밝기는 $15\,M_\text{Sun}$ 모델에서의 단순한 질량 손실 변화로는 재현되지 않으며, 이는 초기 기간의 밝기를 확보하지 못하기 때문이다.
• 결과적으로 타입 IIL 초신성은 점진적인 질량 손실만으로 설명되지 않으며, 일부 사례에서 좁은 선이 관측되는 것처럼 확장되거나 구조화된 항성 외부 물질이 관여할 가능성이 제기된다.