[논문 리뷰] Sub-luminous `1991bg-Like' Thermonuclear Supernovae Account for Most Diffuse Antimatter in the Milky Way

Roland M. Crocker, Ashley J. Ruiter외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 노후 성간 시스템 내 헬륨과 탄소-산소 백색왜성의 융합으로 발생하는 밝기가 낮은 SN 1991bg 유사 핵분열 초신성가 은하계의 산산이 흩어진 양성자들을 주로 공급하는 원천임을 제안한다. 이러한 사건들은 연간 약 ~0.002회의 비율로 발생하며, 사건당 약 0.03 M☉의 ⁴⁴Ti를 생성하여 관측된 양성자 붕괴 복사원과 태양계 내 ⁴⁴Ca 농도와 일치한다.

ABSTRACT

Observations by the INTEGRAL satellite reveal that the Galaxy glows with the radiation from the annihilation of $(5.0_{-1.5}^{+1.0}) imes 10^{43}$ electron-positron pairs every second. Constrained to be injected into the interstellar medium (ISM) at only mildly relativistic energies, it is highly plausible most positrons originate from the $\beta^+$ decay of radionuclides synthesised in stars or supernovae. However, none of the initially most likely candidates -- massive stars, core-collapse (CC) supernovae (SNe) or ordinary thermonuclear supernovae (SNe Ia) -- have Galactic distributions that match the spatial distribution of positron injection across the Milky Way. Here we show that a class of transient positron source occurring in stars of age >5 Gyr can explain the global distribution of positron annihilation in the Galaxy. Such sources, occurring at a present Galactic rate $\sim$ 0.002 year$^{-1}$ and typically synthesising $\sim$ 0.03 solar masses of the $\beta^+$-unstable radionuclide $^{44}$Ti, can simultaneously explain the absolute positron luminosity of the Galaxy and the abundance of $^{44}$Ca in mainstream solar system material. Our binary evolution models show that mergers of helium-white dwarf (WD) and carbon-oxygen (CO) WD binary systems satisfy these age and rate requirements and plausibly match the $^{44}$Ti yield requirements. The $^{56}$Ni yield, delay time, and rates of these mergers strongly suggests they are the sub-luminous, thermonuclear SNe known as SN1991bg-like (SNe 91bg). These supernovae are, therefore, likely the main source of Galactic positrons. ONeMg WDs from the same WD population plausibly birth (via accretion induced collapse) the millisecond pulsars plausibly responsible for the 'Galactic Centre Excess'.

연구 동기 및 목표

• 은하계에서 관측된 산산이 흩어진 양성자 붕괴 복사원의 기원에 대한 오랜 의문을 해결하기 위해.
• 관측된 은하계 양성자 분포와 일치하는 공간 분포와 주입 비율을 가진 원천 집단을 규명하기 위해.
• 태양계 자료에서 관측된 ⁴⁴Ca 농도와 초신성에서 추정되는 ⁴⁴Ti 생성량을 조율하기 위해.
• 밝기가 낮은 핵분열 초신성가 동시에 양성자 복사원과 핵합성 생성량을 설명할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• INTEGRAL 위성 데이터를 분석하여 은하계 양성자 붕괴 복사원 밝기를 (5.0⁻¹.⁵⁺¹.⁰)×10⁴³ 쌍/초로 측정하기 위해.
• 노후 성간 집단 내 헬륨 백색왜성과 탄소-산소 백색왜성 시스템의 융합을 시뮬레이션하기 위해 이중성 진화 모델을 사용하기 위해.
• 이러한 융합에서 발생하는 ⁴⁴Ti 생성량을 계산하고, 우표 자료에서 관측된 ⁴⁴Ca 농도와 비교하기 위해.
• 양성자 주입 비율을 관측된 붕괴 복사원의 공간 분포와 일치시키기 위해.
• 이러한 융합의 지연 시간 분포와 ⁵⁶Ni 생성량을 분석하여 SN 1991bg 유사 초신성의 특성과 일치하는지 확인하기 위해.
• 동일한 집단에서 유래한 ONeMg 백색왜성이 수축 유도 붕괴를 통해 밀리초 펄서를 형성할 수 있는지 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하계에서 관측된 산산이 흩어진 양성자 붕괴 복사원의 공간 분포와 밝기를 설명할 수 있는 천체물리적 원천 집단은 무엇인가?
• RQ2 백색왜성 융합로 인한 밝기가 낮은 SN 1991bg 유사 초신성이 태양계에서 관측된 ⁴⁴Ti 생성량과 ⁴⁴Ca 농도를 모두 설명할 수 있는가?
• RQ3 백색왜성 융합의 추정 주입 비율과 지연 시간이 약 연간 0.002회의 관측된 양성자 주입 비율과 일치하는가?
• RQ4 동일한 원천 집단이 밀리초 펄서를 통해 은하중심 과잉 현상의 기원과 일관된 연결고리가 될 수 있는가?
• RQ5 이러한 사건에서 핵합성된 방사성 뉴클리드의 β⁺ 붕괴로 발생하는 양성자의 약간 상대론적 에너지 스펙트럼을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 은하계 양성자 붕괴 복사원 밝기 (5.0⁻¹.⁵⁺¹.⁰)×10⁴³ 쌍/초는 약 연간 0.002회의 비율로 양성자를 주입하는 원천 집단과 일치한다.
• 헬륨 백색왜성 + 탄소-산소 백색왜성 융합에서 발생하는 밝기가 낮은 SN 1991bg 유사 초신성는 사건당 약 0.03 M☉의 ⁴⁴Ti를 생성하여 필요한 핵합성 생성량을 충족시킨다.
• 이러한 융합에서 추정되는 ⁴⁴Ti 생성량은 주로 태양계 자료에서 관측된 ⁴⁴Ca 농도와 일치한다.
• 이러한 융합의 지연 시간 분포와 ⁵⁶Ni 생성량은 SN 1991bg 유사 초신성의 특성과 일치한다.
• 동일한 원천 집단의 백색왜성이 수축 유도 붕괴를 통해 밀리초 펄서를 형성할 수 있으며, 이는 은하중심 과잉 현상을 설명할 수 있다.
• 이러한 사건에서 발생하는 양성자 주입의 공간 분포는 관측된 은하계 산산이 흩어진 양성자 붕괴 복사원의 형태와 일치한다.