[논문 리뷰] Type Iax supernovae from deflagrations in Chandrasekhar mass white dwarfs

F. Lach, F. P. Callan외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 150인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 찬드라세카르 질량의 탄소-산소 백색왜성에서 일어나는 단일점 불꽃번개의 3차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 Iax 초신성의 특성을 조사한다. 점화 위치, 중심 밀도, 금속성, 조성, 그리고 회전을 변화시켜 분석하였다. 결과적으로 모델들은 더 밝고 중간 정도 밝은 Iax 사건의 밝기 범위를 재현할 수 있었지만, 가장 어두운 사건들에 대해서는 자연스럽게 설명하지 못하여 추가적인 메커니즘 또는 56Ni가 풍부한 결속 잔여물의 영향이 완전한 설명을 위해 필요할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Due to the increasing number of observations Type Ia supernovae are nowadays regarded as a heterogeneous class of objects consisting of several subclasses. One of the largest of these is the class of Type Iax supernovae (SNe Iax) which have been suggested to originate from pure deflagrations in CO Chandrasekhar-mass white dwarfs (WDs). Although a few deflagration studies have been carried out, the full diversity of the class is not captured yet. We therefore present a parameter study of single-spot ignited deflagrations with varying ignition locations, central densities, metallicities and compositions. We also explore a rigidly rotating progenitor and carry out 3D hydrodynamic simulations, nuclear network calculations and radiative transfer. The new models extend the range in brightness covered by previous studies to the lower end. Our explosions produce $^{56}$Ni masses from $5.8 imes 10^{-3}$ to $9.2 imes 10^{-2}\,M_\odot$. In spite of the wide exploration of the parameter space the main characteristics of the models are primarily driven by the mass of $^{56}$Ni. Secondary parameters have too little impact to explain the observed trend among faint SNe~Iax. We report kick velocities of the bound explosion remnants from $6.9$ to $369.8\,$km$\,s^{-1}$. The wide exploration of the parameter space and viewing-angle effects in the radiative transfer lead to a significant spread in the synthetic observables. The trends towards the faint end of the class are, however, not reproduced. This motivates a quantification of the systematic uncertainties in the modeling procedure and the influence of the $^{56}$Ni-rich bound remnant. While the pure deflagration scenario remains a favorable explanation for bright and intermediate luminosity SNe~Iax, the possibility that SNe~Iax do not consist of a single explosion scenario needs to be considered.

연구 동기 및 목표

• Chandrasekhar 질량의 백색왜성에서 단일점 불꽃번개의 매개변수 공간을 탐색하여 Iax 초신성의 다양성을 이해하는 것.
• 불꽃번개 모델이 Iax 사건의 전체 밝기 범위, 특히 어두운 끝부분을 재현할 수 있는지 조사하는 것.
• 점화 위치, 중심 밀도, 금속성, 조성, 그리고 회전과 같은 초기 조건이 합성 관측 결과에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 모델 예측과 관측 결과 간의 격차, 특히 어두운 SNe Iax에 대해 정량화하는 것.
• 56Ni가 풍부한 결속 잔여물이 어두운 폭발에서 빛의 변화 곡선과 스펙트럼을 어떻게 형성하는지 가능한 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• LEAFS 코드를 사용한 3차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 탄소-산소 백색왜성에서의 불꽃번개 점화를 모델링하는 것.
• YANN 코드를 사용한 핵반응 합성 계산을 통해 56Ni 수확량과 원소 농도를 결정하는 것.
• ARTIS 복사전달 코드를 사용해 합성 빛의 변화 곡선과 스펙트럼을 생성하여 관측 결과와 비교하는 것.
• 점화 위치, 중심 밀도, 금속성, 조성, 그리고 강체 회전의 포함 여부를 변화시켜 매개변수 공간을 탐색하는 것.
• 다양한 시야각에서의 관측 다양성을 평가하기 위해 시야각 효과를 고려하는 것.
• 관측된 SNe Iax의 빛의 변화 곡선, 등급, 스펙트럼적 특징과의 비교를 통해 모델-관측 불일치를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Chandrasekhar 질량의 백색왜성에서 단일점 불꽃번개가 관측된 Iax 초신성의 전체 밝기 범위, 특히 가장 어두운 사건들을 재현할 수 있는가?
• RQ2 점화 위치, 중심 밀도, 금속성, 조성, 그리고 회전의 변화가 도출되는 56Ni 질량과 합성 관측 결과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 56Ni가 풍부한 결속 잔여물이 어두운 Iax 초신성의 빛의 변화 곡선과 스펙트럼에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 현재의 불꽃번개 모델이 왜 Iax 밝기 순서의 어두운 끝부분에서 관측된 추세를 재현하지 못하는가?
• RQ5 복사전달과 핵반응 네트워크 모델링의 체계적 불확실성이 모델과 관측 결과 간의 관측된 격차에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모델들은 5.8 × 10⁻³에서 9.2 × 10⁻² M⊙ 사이의 56Ni 질량을 생성하여 이전 연구에서 다룬 밝기 범위를 어두운 끝까지 확장하였다.
• 광범위한 매개변수 공간 탐색에도 불구하고 주요 관측적 추세는 주로 56Ni 질량에 의해 결정되며, 일차원적 순서를 이룬다.
• 결속 잔여물의 추진 속도는 6.9에서 369.8 km s⁻¹ 사이로 변동하며, 그 크기와 방향은 불꽃번개 강도에 따라 달라진다.
• 모델들은 Iax 클래스의 어두운 부분에서 관측된 추세를 재현하지 못하여 순수한 불꽃번개 시나리오가 가장 어두운 사건들에 대해서는 한계를 가짐을 시사한다.
• 어두운 모델에서는 결속 잔여물의 56Ni 질량이 분출물보다 훨씬 높다 — 예를 들어 모델 r114_d6.0_Z에서는 5배 높다 — 이는 빛의 변화 곡선과 스펙트럼에 중요한 기여를 할 수 있음을 시사한다.
• 특히 스펙트럼의 진화와 장기 빛의 변화 곡선에서 관측된 격차는, 아직 불확실하지만 어두운 사건에 대해 임파워트한 중요한 역할을 할 수 있는 결속 잔여물 내 연소된 물질의 영향을 포함함으로써 해결될 수 있다.