[논문 리뷰] X-ray Evidence for Spectroscopic Diversity of Type Ia Supernovae: XMM observation of the elemental abundance pattern in M87

A. Finoguenov, Kyoko Matsushita외 3명|ArXiv.org|2001. 10. 23.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 53인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 M87의 뜨거운 간성간 및 은하단 매질에서 XMM-Newton X선 관측을 통해 원소 농도를 측정하여, Si군열 대 철 비율의 변화를 통해 유형 Ia 초신성(SNe Ia)의 분광학적 다양성을 규명한다. 주요 결과로는 M87 중심부의 SNe Ia 증착은 불완전한 실리콘 연소(높은 Si/Fe 비율)를 보이며, 외곽 은하단 영역은 낮은 Si/Fe 및 Ni/Fe 비율을 보여, 데이터를 설명하기 위해 빠른 빛산과 지연 폭발 모델의 혼합이 필요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We present the results of a detailed element abundance study of hot gas in M87, observed by XMM-Newton. We choose two radial bins, 1'-3' and 8'-16' (8'-14' for EMOS; hereafter the central and the outer zones), where the temperature is almost constant, to carry out the detailed abundance measurements of O, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca, Fe and Ni using EPIC-PN (EPN) and -MOS (EMOS) data. First, we find that the element abundance pattern in the central compared to the outer zone in M87 is characterized by SN Ia enrichment of a high (roughly solar) ratio of Si-group elements (Si, S, Ar, Ca) to Fe, implying that Si burning in SN Ia is highly incomplete. In nucleosynthesis modeling this is associated with either a lower density of the deflagration-detonation transition and/or lower C/O and/or lower central ignition density and observationally detected as optically subluminous SNe Ia in early-type galaxies. Second, we find that SN Ia enrichment has a systematically lower ratio of the Si-group elements to Fe by 0.2 dex in the outer zone associated with the ICM of the Virgo cluster. We find that such a ratio and even lower values by another 0.1 dex are a characteristic of the ICM in many clusters using observed Si:S:Fe ratios as found with ASCA. Third, the Ni/Fe ratio in the central zone of M87 is 1.5+/-0.3 solar (meteoritic), while values around 3 times solar are reported for other clusters. In modeling of SN Ia, this implies a reduced influence of fast deflagration SN Ia models in the chemical enrichment of M87's ISM. Thus, to describe the SN Ia metal enrichment in clusters, both deflagration as well as delayed detonation scenarios are required, supporting a similar conclusion, derived from optical studies on SNe Ia. Abridged.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 XMM-Newton EPIC 데이터를 활용하여 M87의 뜨거운 기체에서 산소(O), neon(Ne), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 황(S), argon(Ar), 칼슘(Ca), 철(Fe), 니켈(Ni)의 세부 원소 농도를 측정한다.
• M87의 중심부 및 외곽부에서의 농도 패턴을 분석하여 유형 Ia 초신성(SNe Ia)의 핵합성 수확량을 조사한다.
• 관측된 Si/Fe 및 Ni/Fe 비율을 이론적 예측과 비교하여 SNe Ia 폭발 모델을 제약한다.
• 특히 숨겨진 금속 농도가 낮은 별 집단과 관련된 M87의 궤도별 군집의 특성과 X선 기체 농도 간의 연관성을 탐색한다.
• 은하간 매질 및 은하단 매질의 금속 증착에 있어 SNe Ia와 SNe II 기여도의 역할을 평가한다.

제안 방법

• M87는 중심부(1′–3′)와 외곽부(8′–16′)의 두 개의 반경 방향 밴드로 나누어 관측되었으며, EMOS 데이터는 최대 14′까지 연장되었다.
• 원소 농도는 K-껍질 및 L-껍질 방출선에서 유도되었으며, 철저한 캘리브레이션과 스펙트럼 피팅을 통해 체계적 불확실성을 최소화하였다.
• 중심부 및 외곽부에서 Si/Fe, S/Fe, Ar/Fe, Ca/Fe, Ni/Fe 등의 농도 비율을 측정하여 SNe Ia의 핵합성 메커니즘을 탐색하였다.
• 관측된 농도 패턴을 빠른 빛산과 지연 폭발 모델에서 예측한 이론적 SNe Ia 수확량과 비교하였다.
• Fe-L 복합체에 의한 오염이 제한적인 점을 고려해 산소(O) 농도를 주요 추적자로 사용하여 SNe II의 기여를 구분하였다.
• 비교를 위해 메테오리트 기준 태양 농도(Anders & Ebhuisen 1989)와 Woosley & Weaver (1995) 모델을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XMM-Newton를 통해 측정된 M87 중심부 및 외곽부의 뜨거운 기체의 원소 농도 패턴은 어떠한가?
• RQ2 M87 중심부 및 외곽부에서의 Si군열 대 철 비율은 SNe Ia에서 실리콘 연소의 완전성에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 관측된 Ni/Fe 비율은 M87의 화학적 증착에 대해 빠른 빛산 모델과 지연 폭발 모델의 상대적 기여에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 X선으로 유도된 농도는 광학 금속 농도 측정과 어떻게 비교되며, 이는 숨겨진 금속 농도가 낮은 별 집단에 대한 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 M87의 할로에서 관측된 농도 패턴은 단일 SNe Ia 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 다양한 폭발 메커니즘의 조합이 필요한가?

주요 결과

• M87 중심부의 Si/Fe 비율은 EPN 기준 1.12, EMOS 기준 1.24로, 외곽부(0.60 및 0.66)보다 유의미하게 높아 SNe Ia에서 불완전한 실리콘 연소가 일어났음을 시사한다.
• 외곽부의 Si군열 대 철 비율은 중심부보다 0.2 dex 낮으며, ASCA로 관측된 다른 은하단의 ICM 농도 패턴과 일치한다.
• 중심부의 Ni/Fe 비율은 1.5 ± 0.3 태양(메테오리트 기준)으로, 다른 은하단에서 관측된 3× 태양 수준보다 유의미하게 낮아, 빠른 빛산 SNe Ia 모델의 기여가 감소했음을 나타낸다.
• 관측된 농도 패턴은 빠른 빛산과 지연 폭발 SNe Ia 모델의 혼합이 필요함을 시사하며, 이는 광학적 SNe Ia 연구 결과와 일치한다.
• 중심부의 산소(O) 농도는 0.55 태양, 외곽부는 0.37 태양이며, SNe II와 SNe Ia의 기여 혼합과 일치하며, SNe II 수확량은 Nomoto 등(1997a) 모델에 의해 0.05 dex 이내로 잘 설명된다.
• 광학 및 X선 금속 농도 측정 간의 괴리에는 숨겨진 금속 농도가 낮은 별 집단이 존재할 수 있으며, 이는 X선 기체에 기여했지만 광학 조사에서는 확인되지 않았을 수 있다.