[논문 리뷰] Obscuration of Supersoft X-ray Sources by Circumbinary Material - A Way to Hide Type Ia Supernova Progenitors?

Mikkel Nielsen, C. Dominik외 2명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2012. 07. 26.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 51인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 단일 기저(Type Ia) 초신성 원천 시스템에서 백색왜성에 물질을 공급하는 동안 발생하는 수퍼소프트 X선 방출을 둘레의 이중성 물질이 은폐할 수 있으며, 이로 인해 관측된 수퍼소프트 X선 소스의 부족을 설명한다. 복사 전달 모델을 사용하여, 약 1 AU의 이중성 간격에서 $10^{-9}$–$10^{-8}\,M_\odot$ yr$^{-1}$의 질량 손실률이 X선 방출을 완전히 은폐할 수 있음을 보여주며, 이는 찰드라 관측에서 이러한 시스템이 탐지되지 않게 만들며, 이는 상당수의 원천이 숨겨져 있을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The progenitors of supernovae (SNe) type Ia are usually assumed to be either a single white dwarf (WD) accreting from a non-degenerate companion (the SD channel) or the result of two merging WDs (DD channel). However, no consensus currently exists as to which progenitor scenario is the correct one, or whether the observed SN Ia rate is produced by a combination of both channels. Unlike a DD progenitor a SD progenitor is expected to emit supersoft X-rays for a prolonged period of time (~1 Myr) as a result of the burning of accreted matter on the surface of the WD. An argument against the SD channel as a significant producer of SNe type Ia has been the lack of observed supersoft X-ray sources (SSS) and the lower-than-expected integrated soft X-ray flux from elliptical galaxies. We wish to determine if it is possible to obscure the supersoft X-ray emission from a nuclear burning white dwarf in an accreting single degenerate binary system. In case of obscured systems we wish to determine their general observational characteristics. We examine the emergent X-ray emission from a canonical SSS system surrounded by a spherically symmetric configuration of material, assuming a black body spectrum with T_BB=50 eV and L=10^38 erg/s. The circumbinary material is assumed to be of solar chemical abundances, and we leave the mechanism behind the mass loss into the circumbinary region unspecified. If steadily accreting, nuclear burning WDs are canonical SSS our analysis suggests that they can be obscured by relatively modest circumbinary mass loss rates. This may explain the discrepancy of SSS compared to the SN Ia rate inferred from observations if the SD progenitor scenario contributes significantly to the SN Ia rate. Recycled emissions from obscured systems may be visible in other wavebands than X-rays. It may also explain the lack of observed SSS in symbiotic binary systems.

연구 동기 및 목표

• 단일 기저 유형 Ia 초신성 원천에서 물질을 공급받는 백색왜성으로부터의 수퍼소프트 X선 방출이 둘레의 이중성 물질에 의해 은폐될 수 있는지 조사하기 위해.
• 중요한 X선 은폐를 유도하기 위한 질량 손실률과 이중성 간격을 결정하기 위해.
• 타원은하에서 특히 관측된 수퍼소프트 X선 소스의 수가 기대되는 빈도에 비해 낮은 이유를 설명하기 위해.
• H$\alpha$, 적외선 또는 전파 대역에서의 다른 파장대에서 은폐된 시스템의 잠재적 관측 신호를 탐색하기 위해.
• 쌍성계에서 관측된 수퍼소프트 소스가 없는 것이 기질적 은폐 때문일 수 있는지를 평가하기 위해.

제안 방법

• 흑체 스펙트럼을 가진 표준 수퍼소프트 X선 소스를 모델링하며, $T_{\text{bb}} = 50$ eV 및 빛의 강도 $L = 10^{38}$ erg s$^{-1}$로 설정한다.
• 태양 성분을 가진 구형 대칭의 둘레의 이중성 물질 분포를 가정하며, 질량 손실 메커니즘은 명시하지 않는다.
• 복사 전달 계산을 통해 원환성 매질을 통과하는 이온화 구조와 X선 투과도를 결정한다.
• 다양한 이중성 간격($a \sim 1$ AU에서 $100$ AU까지)과 질량 손실률($\dot{M} = 10^{-9}$–$10^{-6}\,M_\odot$ yr$^{-1}$)에 대해 탈출하는 X선 스펙트럼을 계산한다.
• 명확한 이온화 영역이 형성되는 데 필요한 임계 질량 손실률을 식별하며, 이는 은폐 가능성의 징후로 간주된다.
• 찰드라에서의 탐지 가능성과 은폐된 시스템의 H$\alpha$, 적외선 및 전파 대역에서의 관측 신호를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 기저 원천에서 안정적으로 연소하는 백색왜성으로부터의 수퍼소프트 X선 방출이 둘레의 이중성 물질에 의해 은폐될 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템이 X선에서 탐지 불가능해지기 위해 필요한 질량 손실률과 이중성 간격은 무엇인가?
• RQ3 유형 Ia 초신성의 높은 발생률을 고려할 때, 왜 관측된 수퍼소프트 X선 소스가 극히 적은가?
• RQ4 은폐된 시스템은 H$\alpha$ 또는 전파 대역에서 탐지 가능할 수 있는가?
• RQ5 쌍성계에서 관측된 수퍼소프트 소스가 없는 것은 기질적 기부자 성분의 질량 손실로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 이중성 간격이 약 1 AU일 때, 질량 손실률이 $10^{-9}$–$10^{-8}\,M_\odot$ yr$^{-1}$이면 표준 수퍼소프트 X선 소스의 X선 방출이 상당히 은폐될 수 있다.
• 이중성 간격이 $a \sim 1$ AU일 경우, 이러한 은폐는 낮은 질량 손실률로도 찰드라에서 탐지 불가능하게 만들 수 있다.
• 명확한 이온화 영역을 형성하는 데 필요한 임계 질량 손실률은 전체 X선 은폐를 유도하는 데 필요한 값보다 수십 배에서 수백 배 이상 높다.
• 100 AU 정도의 거리에서도 질량 손실률이 약 $10^{-7}\,M_\odot$ yr$^{-1}$이면 상당한 은폐가 가능하지만, 넓은 간격의 시스템은 안정적인 연소를 유지하기 어려울 수 있다.
• 은폐된 시스템은 재결합 성운으로서 H$\alpha$, 적외선 또는 전파 대역에서 관측 가능할 수 있으며, 이는 다른 탐지 경로를 제공한다.
• 질량 손실률이 $10^{-11}$–$10^{-10}\,M_\odot$ yr$^{-1}$인 안정 연소 백색왜성은 X선에서 완전히 탐지 불가능할 수 있으며, 이는 숨겨진 원천을 시사한다.