[논문 리뷰] Time-Varying Extinction, Polarization, and Colors of Type Ia Supernovae due to Rotational Disruption of Dust Grains

Nguyen Chau Giang, Thiem Hoang외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 27.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 66인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 타입 Ia 초신성(SNe Ia) 근처에서 먼지 입자에 대한 복사 토크 파괴(RATD)가 관측된 시간에 따라 변하는 흡착, 투과도 및 색상—특히 낮은 RV(~1.5)와 짧은 파장에서의 투과도 최대값(λmax < 0.4 µm)—을 설명한다. RATD는 약 40일 이내에 큰 입자를 작은 입자로 급격히 분해시며, 입자 크기 분포를 변화시키고 복사 토크에 의해 작은 입자들이 정렬되게 하여 SNe Ia 관측에서 관찰된 이례적인 흡착 및 투과도 특성을 재현한다.

ABSTRACT

Photometric and polarimetric observations toward type Ia supernovae (SNe Ia) frequently report an unusually low total-to-selective extinction ratio ($R_{ m V} < 2$) and small peak wavelength of polarization ($\lambda_{ m max}< 0.4 \mu m$). Recently, Hoang et al. proposed that the increase in the abundance of small grains relative to large grains near SNe Ia due to RAdiative Torque Disruption (RATD) can explain this puzzle. To test this scenario, we will perform detailed modeling of dust extinction and polarization of SNe Ia accounting for grain disruption by RATD and grain alignment by RAdiative Torques (RATs). For dust clouds at distance $d< 4$ pc from the source, we find that $R_{ m V}$ decreases rapidly from the standard value of $3.1$ to $\sim 1.5$ after a disruption time $t_{ m disr}\le 40$ days. We then calculate the observed SNe Ia light curve and find that the colors of SNe Ia would change with time due to time-varying extinction for dust clouds at distance of $d<4$ pc. We also calculate the wavelength-dependence polarization produced by grains aligned with the magnetic fields by RATs. We find that $ \lambda_{ m max}$ decreases rapidly from $\sim 0.55 \mu$m to $\sim 0.15 \mu$m over an alignment time of $t_{ m align}< 10$ days due to the enhanced alignment of small grains. By fitting the theoretical polarization curve with the Serkowski law, we find that the parameter $K$ from the Serkowski law increases when large grains are disrupted by RATD which can explain the $K$ vs. $\lambda_{ m max}$ data observed for SNe Ia. Finally, we discover an anti-correlation between $K$ and $R_{ m V}$ which might already be supported by SNe Ia observational data. Our results demonstrate the important effect of rotational disruption of dust grains by radiative torques on the time-dependent extinction, polarization, and colors of SNe Ia.

연구 동기 및 목표

• SNe Ia에서 관측된 이례적으로 낮은 총흡착 대 선택흡착 비율(RV < 2)과 짧은 투과도 최대 파장(λmax < 0.4 µm)을 설명하기 위해.
• SNe Ia의 초기 시기에서 흡착 및 투과도 특성이 빠르게 변화하는 데 대해 복사 토크 파괴(RATD)가 먼지 입자에 의해 설명될 수 있는지 조사하기 위해.
• RATD와 복사 토크(RATs)에 의한 입자 정렬에 의해 시간에 따라 변화하는 흡착 및 투과도 곡선을 모델링하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 흡착이 SNe Ia의 밝기 곡선과 색상에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• RATD에 의해 예측된 Serkowski 법칙의 매개변수 K와 RV 사이의 반비례 관계가 관측 데이터와 일치하는지 검증하기 위해.

제안 방법

• SNe Ia의 시간에 따라 변화하는 빛의 세기(Eq. 1)를 사용하여 RATD에 의한 입자 파괴를 모델링하고, d < 4 pc인 영역에서 파괴 시간 스케일 tdisr < 40일을 계산한다.
• RATD에 의한 입자 크기 분포의 변화를 계산하며, 파괴 크기 a_disr은 시간이 지남에 따라 약 0.2 µm에서 0.03 µm로 감소한다.
• 복사 토크 정렬(RATs) 이론을 적용하여 자성장이 있는 경우의 입자 정렬을 계산하고, 정렬 시간 talign < 10일로 감소시킨다.
• 수정된 입자 크기 분포를 사용하여 흡착 곡선을 계산하고, 관측된 SNe Ia의 광도 측정치에 적합시킨다.
• 이론적 투과도 곡선을 Serkowski 법칙(Eq. A1)에 적합시켜 K와 λmax 매개변수를 유도한다.
• RATD에 의한 시간에 따라 변화하는 흡착을 포함하여 관측된 SNe Ia의 밝기 곡선을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RATD는 타입 Ia 초신성 폭발 후 40일 이내에 RV를 3.1에서 약 1.5로 급격히 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 RATD에 의해 증가된 작은 입자들이 SNe Ia에서 관측된 짧은 파장에서의 투과도 최대값(λmax < 0.4 µm)을 설명할 수 있는가?
• RQ3 RATs에 의한 입자 정렬이 투과도의 파장 의존성에 어떤 영향을 미치며, 관측된 K와 λmax 값을 재현할 수 있는가?
• RQ4 RATD에 의해 K와 RV 사이의 반비례 관계가 예측되며, 이는 기존의 관측 데이터와 일치하는가?
• RQ5 RATD에 의한 시간에 따라 변화하는 흡착은 SNe Ia의 관측 색상과 밝기 곡선에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 4 pc 이내의 먼지 구름에서, tdisr < 40일 이내에 RV가 3.1에서 약 1.5로 감소한다.
• RATD에 의해 생성된 작은 입자들의 정렬이 향상되면서, talign < 10일 이내에 λmax가 약 0.55 µm에서 약 0.15 µm로 감소한다.
• 입자 파괴가 진행됨에 따라 Serkowski 법칙의 매개변수 K가 크게 증가하여 SNe Ia에서 관측된 K 대 λmax 경향을 설명한다.
• RATD 모델은 K와 RV 사이의 반비례 관계를 예측하며, 기존의 관측 데이터와 일치한다.
• RATD와 RAT 정렬을 포함한 이론적 흡착 및 투과도 곡선은 관측된 SNe Ia 데이터와 잘 일치한다.
• RATD에 의한 시간에 따라 변화하는 흡착은 SNe Ia 밝기 곡선에서 측정 가능한 색상 변화를 유도하며, 천체물리적 거리 측정에 영향을 미친다.