[논문 리뷰] Simulating the observed diversity of Type Ia supernovae - Introducing a model data base

M. Kromer, Sebastian T. Ohlmann외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 29.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다양한 원형성 시나리오와 폭발 메커니즘을 시뮬레이션하여 관측된 빛의 곡선, 스펙트럼, 핵합성의 다양성을 설명하기 위한 3차원 수치 폭발 모델의 종합적인 세트를 제시한다. 또한, Heidelberg Supernova Model Archive(HESMA)라는 공개 접근 가능한 데이터베이스를 도입하여, 여러 원형성 유형과 폭발 채널을 포함한 70개의 모델에 대해 동위원소 농도, 반경 방향 평균 분포, 그리고 합성 관측 결과(빛의 곡선과 스펙트럼)를 제공한다.

ABSTRACT

Despite the importance of Type Ia supernovae (SNe Ia) for modern astrophysics, their detailed mechanism is still not fully understood. In this contribution, we present recent findings from numerical explosion models in the context of the observed diversity of SNe Ia and we discuss how these models can help to shed light on the explosion mechanism and the progenitor stars of SNe Ia. In addition, we introduce the Heidelberg Supernova Model Archive (HESMA), a new online data base where we provide integrated isotopic abundances and radially averaged ejecta profiles and synthetic observables for a wide range of state-of-the-art explosion models.

연구 동기 및 목표

• 다양한 원형성 시나리오와 폭발 메커니즘의 세밀한 수치 모델링을 통해 관측된 Type Ia 초신성의 다양성을 시뮬레이션하기 위해.
• 관측된 빛의 강도와 스펙트럼 다양성의 배경이 되는 원형성 시스템과 폭발 메커니즘에 대한 해결되지 않은 질문을 다루기 위해.
• 이론적 모델과 관측 데이터를 직접 비교할 수 있도록 공동체 자원을 제공하기 위해.
• turbulent 흐름, 혼합, 폭발 기하학이 합성 관측 결과(빛의 곡선과 스펙트럼 등)에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 정상적인 SN Ia의 피크 빛의 세기와 빛의 곡선 너비 관계를 재현하는 모델을 식별함으로써, 우주론적 거리 측정을 지원하기 위해.

제안 방법

• 탄소-산소 백색왜성에서의 3차원 폭발 역학을 시뮬레이션하기 위해 유체역학 코드 LEAFS를 사용하였다.
• 추적 입자의 열역학적 경로 沿해 동위원소 농도를 계산하기 위해 384개의 동위원소 반응 네트워크를 사용하였다.
• 합성 UVOIR 볼로메트릭 빛의 곡선과 광학/감마선 스펙트럼 시간 시리즈를 생성하기 위해 몬테카를로 방사선 전달 코드 ARTIS를 적용하였다.
• Chandrasekhar 질량의 빠른 데토네이션, 지연 데토네이션, 중력적으로 구속된 데토네이션, 그리고 초 Chandrasekhar 질량의 이중 데토네이션을 포함한 원형성 시나리오를 시뮬레이션하였다.
• 폭력적인 CO+CO 백색왜성 병합을 위해 GADGET 코드를 사용한 병합 시뮬레이션을 수행하였다.
• 동형으로 확장되는 물질의 반경 방향 평균 밀도 및 동위원소 농도 프로파일과 각도 평균 합성 관측 결과를 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 폭발 메커니즘과 원형성 구성이 관측된 빛의 세기와 빛의 곡선 너비 분포를 가장 잘 재현하는가?
• RQ2 빠른 데토네이션 및 지연 데토네이션 모델에서의 난류 혼합과 3차원 효과는 물질의 중간 질량 및 철군집 동위원소 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초 Chandrasekhar 질량 모델에서 이중 데토네이션 또는 코어 데토네이션을 통해 관측된 스펙트럼적 및 광학적 성질을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ4 왜 3차원 지연 데토네이션 모델은 1차원 모델과 비교해 관측된 색깔-빛의 세기 관계를 재현하지 못하는가?
• RQ5 Heidelberg Supernova Model Archive(HESMA)는 모델 비교와 관측 제약 조건에 있어 신뢰할 수 있고 표준화된 자원으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 3차원 지연 데토네이션 모델은 중심의 Ni-rich 영역 외부로 IGEs(예: Si, Ca)의 심한 난류 혼합을 유도하여 관측된 스펙트럼 특징과 정면으로 배치된다.
• 1차원 지연 데토네이션 모델은 정상적인 SN Ia 빛의 곡선을 성공적으로 재현하지만, 3차원에서는 혼합이 억제되어 실패함으로써 차원 수가 모델의 현실성에 중요한 영향을 미친다.
• 초 Chandrasekhar 질량의 이중 데토네이션 모델은 희미한부터 정상적인 SN Ia까지 다양한 56Ni 질량을 생성할 수 있지만, 예측된 헬륨 껍질 연소의 인상은 관측된 스펙트럼과 일치하지 않는다.
• Chandrasekhar 질량의 빠른 데토네이션은 오직 약 0.4 M☉의 56Ni만 생성하며, 이는 정상적인 SN Ia 피크 빛의 세기의 요구 조건인 약 0.5–0.6 M☉에 못 미친다.
• Heidelberg Supernova Model Archive(HESMA)는 9종의 원형성 및 폭발 유형에 걸쳐 총 70개의 모델을 포함하며, 세밀한 동위원소 농도, 물질 분포 프로파일, 합성 관측 결과를 제공한다.
• HESMA는 관측 결과와 직접 비교를 위해, 6–80일 범위의 표준화된 빛의 곡선(6–80 d), 6–100일 범위의 감마선 스펙트럼(6–100 d), 그리고 3500–9500 Å 범위, 6–40일 동안의 광학 스펙트럼 시간 시리즈를 제공한다.