[논문 리뷰] Normal type Ia supernovae from disruptions of hybrid He-CO white-dwarfs by CO white-dwarfs

Hagai B. Perets, Yossef Zenati외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 62인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 탄소-산소(CO) 백색왜성과 히드로젠이 풍부한 헬륨-탄소-산소(He-CO) 백색왜성 간의 합병이 정상적인 Ia 초신성으로 이어질 수 있다고 제안한다. 히드로젠이 풍부한 층이 먼저 폭발하면서 CO 핵을 10⁷ g cm⁻³를 초과하는 밀도로 압축시키며, 이로 인해 두 번째 폭발이 유도되어 관측된 정상적인 최대광도(M_B ≈ −18.4에서 −19.2)와 일치하는 ⁵⁶Ni 생성량을 만들어내며, 이는 정상적인 Ia 초신성의 다양성과 발생 빈도를 설명한다.

ABSTRACT

Type Ia supernovae (SNe) are thought to originate from the thermonuclear explosions of carbon-oxygen (CO) white dwarfs (WDs). The proposed progenitors of standard type Ia SNe have been studied for decades and can be, generally, divided into explosions of CO WDs accreting material from stellar non-degenerate companions (single-degenerate; SD models), and those arising from the explosive interaction of two CO WDs (double-degenerate; DD models). However, current models for the progenitors of such SNe fail to reproduce the diverse properties of the observed explosions, nor do they explain the inferred rates and the characteristics of the observed populations of type Ia SNe and their expected progenitors. Here we show that the little-studied mergers of CO-WDs with hybrid Helium-CO (He-CO) WDs can provide for a significant fraction of the normal type Ia SNe. Here we use detailed thermonuclear-hydrodynamical and radiative-transfer models to show that a wide range of mergers of CO WDs with hybrid He-CO WDs can give rise to normal type Ia SNe. We find that such He-enriched mergers give rise to explosions for which the synthetic light-curves and spectra resemble those of observed type Ia SNe, and in particular, they can produce a wide range of peak-luminosities, MB(MR)~ 18.4 to 19.2 (~ 18.5 to 19:45), consistent with those observed for normal type Ia SNe. Moreover, our population synthesis models show that, together with the contribution from mergers of massive double CO-WDs (producing the more luminous SNe), they can potentially reproduce the full range of type Ia SNe, their rate and delay-time distribution.

연구 동기 및 목표

• 표준 단일기여자 및 双기여자 모델이 여전히 잘 재현되지 않는 정상적인 Ia 초신성 기원을 설명하는 데 오랜 기간 걸려온 과제를 해결하기 위해.
• 이전에 Ia 초신성 기여자 연구에서 간과되었던 하이브리드 He-CO 백색왜성이 정상적인 SNe Ia의 타당한 기여자로 기능할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이러한 하이브리드 백색왜성의 합병이 관측된 최대광도, 광도곡선, 지연시간 분포를 재현할 수 있는지 확인하기 위해.
• 낮은 질량의 CO 핵(0.7 M⊙ 이하)이 폭발에 성공하지 못할 가능성이 높은 데 비해, 히드로젠 층 폭발에 의한 충격압축이 이를 가능하게 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• CO 백색왜성과 하이브리드 He-CO 백색왜성의 합병을 모의하기 위해 2차원 축대칭 유체역학 시뮬레이션을 사용하였으며, 세밀한 핵반응과 에너지 분포를 포함하였다.
• 모의 폭발 역학과 조성을 바탕으로 광도곡선과 스펙트럼을 합성하기 위해 복사전달 계산을 시행하였다.
• 히드로젠 층 폭발 이후 CO 핵의 충격압축 과정에 초점을 맞춰 밀도, 온도, 조성의 변화를 추적하였다.
• 압축된 물질의 등온계수(γ = 4/3, 비압축 물질에 적합)를 기반으로 한 충격파 전단의 밀도 증폭을 추정하기 위해 충격압축 모델을 적용하였다.
• 합병 빈도와 지연시간 분포를 추정하기 위해 Kroupa 초기 질량 함수, 균일한 질량비, 로그균일한 궤도 간격, 열적 이심률 분포를 포함한 인구합성 모델을 사용하였다.
• 모의 광도곡선과 스펙트럼을 관측된 정상적인 Ia 초신성과 비교하여 모델이 관측 결과와 일치하는지 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO 백색왜성과 하이브리드 He-CO 백색왜성 간의 합병이 관측된 최대광도를 갖는 정상적인 Ia 초신성으로 이어질 수 있는가?
• RQ2 히드로젠 층 폭발에 의한 충격압축이 낮은 질량의 CO 핵(≤0.7 M⊙) 폭발을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 이러한 합병이 관측된 지연시간 분포와 정상적인 Ia 초신성의 총 발생 빈도를 재현할 수 있는가?
• RQ4 이러한 합병에서 유도된 모의 광도곡선과 스펙트럼이 관측된 정상적인 SNe Ia의 다양성과 특성과 일치하는가?

주요 결과

• CO 백색왜성과 하이브리드 He-CO 백색왜성 간의 합병은 관측된 정상적인 Ia 초신성과 밀도 높은 광도곡선과 스펙트럼을 잘 재현하며, 최대절대등급이 M_B ≈ −18.4에서 −19.2 범위에 해당한다.
• 히드로젠이 풍부한 층이 먼저 폭발하여 CO 핵을 10⁷ g cm⁻³를 초과하는 밀도로 압축시키며, 이로 인해 후속 폭발이 유도되고 효율적인 ⁵⁶Ni 생성이 이루어진다.
• 0.7 M⊙에 이르는 낮은 질량의 CO 백색왜성도 충분히 압축되어 폭발 연소에 필요한 고밀도 조건을 달성할 수 있으며, 이는 이전에 최소 질량 한계에 대한 가정을 도전하는 결과이다.
• 이 모델은 정상적인 초신성뿐만 아니라 약간 더 밝은 초신성까지도 포함한 광도 스펙트럼을 잘 재현하여 정상적인 Ia 초신성 집단의 통합 기원 가능성을 시사한다.
• 인구합성 모델 분석 결과, 이러한 합병과 함께 고질량 CO-CO 합병이 결합될 경우 관측된 총 발생 빈도와 지연시간 분포를 잘 재현할 수 있다.
• 2차원 시뮬레이션 결과, 이 메커니즘을 통해 ⁵⁶Ni가 풍부한 폭발을 일으킬 수 있는 CO 백색왜성의 질량 하한은 약 0.7 M⊙로 추정되며, 3차원 효과가 약간 더 높은 기준값을 유도할 수 있다.