[논문 리뷰] Significantly super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs as progenitors for peculiar over-luminous type Ia supernovae

Banibrata Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 30.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 극도로 강한 자화 또는 수정된 중력에 의해 유도된 백색왜성은 찬드라세카르 한계를 초월할 수 있으며, 질량이 최대 3.4 M☉에 이를 수 있다고 제안한다. 이러한 백색왜성의 폭발은 과도한 밝기의 Ia형 초신성(SNeIa)을 생성한다. 뉴턴역학, 일반 상대성 이론, 수정된 중력 모델을 사용하여, 이러한 초-찬드라세카르 백색왜성은 안정적으로 존재할 수 있으며, 특이하고 빛나는 SNeIa로 폭발할 수 있음을 보여주며, 찬드라세카르 한계의 유일성에 도전하고 우주론적 두 번째 표준 캔들을 제안한다.

ABSTRACT

Since 2012, we have initiated developing systematically the simplistic to rigorous models to prove that highly super-Chandrasekhar, as well as highly sub-Chandrasekhar, limiting mass white dwarfs are possible to exist. We show that the mass of highly magnetized or modified Einstein's gravity induced white dwarfs could be significantly super-Chandrasekhar and such white dwarfs could altogether have a different mass-limit. On the other hand, type Ia supernovae (SNeIa), a key to unravel the evolutionary history of the universe, are believed to be triggered in white dwarfs having mass close to the Chandrasekhar-limit. However, observations of several peculiar, over- and under-luminous SNeIa argue for exploding masses widely different from this limit. We argue that explosions of super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs result in over-luminous SNeIa. We arrive at this revelation, first by considering simplistic, spherical, Newtonian white dwarfs with constant magnetic fields. Then we relax the Newtonian assumption and consider the varying fields, however obtain similar results. Finally, we consider a full scale general relativistic magnetohydrodynamic description of white dwarfs allowing their self-consistent departure from a sphere to ellipsoid. Subsequently, we also explore the effects of modified Einstein's gravity. Our finding questions the uniqueness of the Chandrasekhar-limit. It further argues for a possible second standard candle, which has many far reaching implications.

연구 동기 및 목표

• 표준 밝기-수축 관계에서 벗어나는 특이하고 과도한 밝기의 Ia형 초신성(SNeIa)의 기원을 설명하기 위해.
• 강한 자기장 또는 수정된 중력과 같은 극한 물리 조건 하에서 백색왜성이 찬드라세카르 한계를 초월할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이러한 초-찬드라세카르 백색왜성이 안정적으로 존재하고 열핵반응 폭발을 통해 과도한 밝기의 SNeIa를 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 수정된 아인슈타인 중력이 동시에 초-찬드라세카르 및 초-찬드라세카르 이하의 질량 한계를 설명할 수 있는지 탐색하여 과도한 및 저조도 SNeIa를 통합하기 위해.
• 백색왜성 물리학에서 찬드라세카르 한계와 아인슈타인 중력의 보편성에 도전하며, 더 넓은 질량 한계 프레임워크를 제안하기 위해.

제안 방법

• 전자 에너지 준위의 랑두 양자화를 사용하여 일정한 자기장을 가진 구형 대칭 뉴턴역학 백색왜성 모델링.
• 비구형, 타원형 백색왜성의 자기장 및 중력 효과를 자동으로 고려하기 위해 일반 상대성 이론 기반 자기유체역학(GRMHD)으로 확장.
• 매개수 α를 가진 스타로빈스키 유형 중력(수정된 아인슈타인 중력)을 도입하여 밀도에 따라 변하는 질량 한계 유도.
• 수정된 톨만-오펜하이머-볼코프 방정식을 수정된 중력 하에서 풀어 질량-반지름 관계와 최대 안정 질량 계산.
• 강한 자기장에서 전자 디제너시 압력을 계산하기 위해 페르미 운동량과 랑두 준위 양자화 사용.
• 핵 밀도(ρc)가 질량 및 중력 매개수에 따라 어떻게 변화하는지 분석하여 중력 불안정성 임계점 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 자기장 또는 수정된 중력 조건 하에서 찬드라세카르 한계를 크게 초월하는 백색왜성이 존재할 수 있는가?
• RQ2 초-찬드라세카르 백색왜성이 표준 SNeIa보다 더 빠르게 감쇠하는 광곡선과 더 높은 운동 에너지를 가진 과도한 밝기의 SNeIa를 유도하는가?
• RQ3 수정된 중력이 초-찬드라세카르 및 초-찬드라세카르 이하의 질량 한계를 동시에 설명할 수 있는가? 이를 통해 과도한 및 저조도 SNeIa를 통합할 수 있는가?
• RQ4 찬드라세카르 한계는 여전히 유일한가, 아니면 극한 물리 조건 하에서 일반화될 수 있는가?
• RQ5 SNeIa가 모두 표준 캔들이라고 보장되지 않으며, 원천 질량 범위가 다양하다면 우주론에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 극도로 강한 자기장을 가진 백색왜성은 찬드라세카르 한계보다 최대 80% 더 높은 새로운 질량 한계를 가질 수 있으며, 자기장 프로파일에 따라 2.6–3.4 M☉에 이른다.
• GRMHD 프레임워크에서 강한 자기장을 가진 타원형 백색왜성은 찬드라세카르 한계를 크게 초월하는 안정된 질량을 유지하며, 과도한 밝기의 SNeIa 원천과 일치한다.
• 수정된 아인슈타인 중력(스타로빈스키 유형)은 α > 0일 경우 초-찬드라세카르 질량 한계 1.8–2.7 M☉, α < 0일 경우 초-찬드라세카르 이하 질량 0.81–1.31 M☉을 유도한다.
• α > 0일 경우 최대 질량은 核 밀도 10¹¹ gm/cc에서 발생하며, 이에 해당하는 핵 온도는 열핵반응을 유도하기에 충분하다.
• 수정된 중력에서 효과적인 매개수 α는 밀도에 따라 변하는 항으로 작용하여, 캐멀레온 효과를 유사하게 만들어 극단적 질량 한계를 안정화시킨다.
• 폭발하는 초-찬드라세카르 백색왜성의 이론적 질량 범위(2.3–2.8 M☉)는 관측된 과도한 밝기의 SNeIa 질량과 일치하여 모델을 검증한다.