[논문 리뷰] Metallicity-dependent nucleosynthetic yields of Type Ia supernovae originating from double detonations of sub-M$_{ ext{Ch}}$ white dwarfs

Sabrina Gronow, Benoît Côté외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 25.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 헬륨 층이 있는 초 Chandrasekhar 질량의 탄소-산소 백색왜성에서 이중 폭발을 통한 타입 Ia 초신성의 금속도 의존성 핵합성 수확을 조사한다. 0.01–3 Z⊙ 범위의 44개의 유체역학 모델을 사용하여, 높은 금속도가 22Ne를 통해 중성자 과잉을 증가시켜 54Fe, 58Ni, 특히 55Mn의 생성을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 수확량은 Z⊙에서 태양의 [Mn/Fe]를 재현하며, 3 Z⊙에서는 태양을 초월하는 값을 보이며, 이는 초-초 Chandrasekhar 질량 Ia 원천이 태양 맨간 농도의 80% 이상을 설명할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Double detonations in sub-Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs with helium shell are a potential explosion mechanism for a Type Ia supernova (SNe Ia). It comprises a shell detonation and subsequent core detonation. The focus of our study is on the effect of the progenitor metallicity on the nucleosynthetic yields. For this, we compute and analyse a set of eleven different models with varying core and shell masses at four different metallicities each. This results in a total of 44 models at metallicities between 0.01$Z_\odot$ and 3$Z_\odot$. Our models show a strong impact of the metallicity in the high density regime. The presence of $^{22}$Ne causes a neutron-excess which shifts the production from $^{56}$Ni to stable isotopes such as $^{54}$Fe and $^{58}$Ni in the $α$-rich freeze-out regime. The isotopes of the metallicity implementation further serve as seed nuclei for additional reactions in the shell detonation. Most significantly, the production of $^{55}$Mn increases with metallicity confirming the results of previous work. A comparison of elemental ratios relative to iron shows a relatively good match to solar values for some models. Super-solar values are reached for Mn at 3$Z_\odot$ and solar values in some models at $Z_\odot$. This indicates that the required contribution of SNe Ia originating from Chandrasekhar mass WDs can be lower than estimated in orevious work to reach solar values of [Mn/Fe] at [Fe/H]$=0$. Our galactic chemical evolution models suggest that SNe Ia from sub-Chandrasekhar mass white dwarfs, along with core-collapse supernovae, could account for more than 80% of the solar Mn abundance. Using metallicity-dependent SN Ia yields helps to reproduce the upward trend of [Mn/Fe] as a function of metallicity for the solar neighborhood. These chemical evolution predictions, however, depend on the massive star yields adopted in the calculations.

연구 동기 및 목표

• 이중 폭발을 통한 초-초 Chandrasekhar 질량 백색왜성에서의 타입 Ia 초신성에서 원천의 금속도가 핵합성 수확에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 금속도가 철 피크 및 중성자-rich 동위원소, 특히 55Mn의 생성에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 초-초 Chandrasekhar 질량 Ia 원천의 금속도 의존성 수확이 관측된 태양계 [Mn/Fe] 비율과 금속도 증가에 따른 [Mn/Fe] 상승 경향을 재현할 수 있는지 평가하는 것.
• 특히 맨간에 대해 은하 화학 진화에서 초-초 Chandrasekhar 질량 Ia 초신성의 기여를 평가하는 것.

제안 방법

• 0.01 Z⊙, 0.1 Z⊙, 1 Z⊙, 3 Z⊙의 네 가지 금속도에서 핵심 및 층 두께가 다른 초-초 Chandrasekhar 질량 백색왜성의 이중 폭발 폭발을 시뮬레이션한 44개의 유체역학 모델.
• α-포획 및 α-rich freeze-out 영역에서의 동결 과정을 포함한 세밀한 핵반응 네트워크를 사용해 핵합성 수확을 추적.
• 금속도 범위 전반에서 56Ni, 55Mn, 54Fe, 58Ni, 60Fe 등의 방사성 및 안정 동위원소의 수확량을 계산.
• 폭발 단계에서 동위원소 생성에 대한 초기 중성자 과잉의 영향을 모델링하기 위해 금속도 의존성의 시드 핵을 사용.
• 은하 화학 진화 모델링을 수행하여 초-초 Chandrasekhar 질량 Ia 초신성이 태양의 맨간 및 철 농도에 기여하는 정도를 평가.
• 모델 예측을 태양계 농도 및 태양계 주변의 관측된 [Mn/Fe] 경향과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원천의 금속도가 이중 폭발을 통한 초-초 Chandrasekhar 질량 타입 Ia 초신성에서 55Mn, 56Ni, 54Fe, 58Ni 등의 주요 동위원소 핵합성 수확에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 초-초 Chandrasekhar 질량 Ia 초신성의 금속도 의존성 수확이 관측된 태양계 [Mn/Fe] 비율과 금속도 증가에 따른 [Mn/Fe] 증가 경향을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ3 태양 맨간 농도의 어느 정도가 초-초 Chandrasekhar 질량 Ia 초신성에서 기인하는가? 이는 초 Chandrasekhar 질량 Ia 원천의 기여와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 높은 금속도에서 22Ne의 존재가 α-rich freeze-out 영역에서 전자 비율과 중성자 과잉에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 초-초 Chandrasekhar 질량 Ia 초신성의 금속도 의존성 수확만으로도 핵합성 초신성와 함께 태양 맨간 농도의 80% 이상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 높은 금속도는 22Ne 덕분에 백색왜성 내 중성자 과잉을 증가시켜 α-rich freeze-out 영역에서 56Ni에서 54Fe 및 58Ni와 같은 안정 동위원소로의 핵합성 경로를 이동시킨다.
• 금속도가 증가할수록 55Mn 생성이 크게 증가하여 3 Z⊙에서 태양을 초월하는 초-초 태양 [Mn/Fe] 비율을 도출하고, 일부 모델에서는 1 Z⊙에서 태양 수준의 값을 재현한다.
• 은하 화학 진화 모델에서 핵합성 초신성와 함께 초-초 Chandrasekhar 질량 Ia 초신성은 태양 맨간 농도의 80% 이상을 설명할 수 있다.
• 모델은 태양계 주변에서 금속도 증가에 따라 [Mn/Fe]가 상승하는 관측된 경향을 재현하며, 금속도 의존성 수확의 역할을 뒷받침한다.
• 3 Z⊙에서 모델 수확량은 태양 수준을 초월하는 [Mn/Fe] 비율을 생성하여, 태양 금속도에서 태양 [Mn/Fe]에 도달하기 위해 필요한 초 Chandrasekhar 질량 Ia 초신성의 기여가 이전에 추정된 것보다 낮을 수 있음을 시사한다.
• 핵합성 수확량은 고밀도 영역에서 금속도에 매우 민감하며, 금속도 구현에 따른 시드 핵이 층 폭발 단계에서 동위원소 생성에 중대한 영향을 미친다.