[论文解读] Double detonations of sub-Chandrasekhar mass CO white dwarfs: Can different core and He shell masses explain variations of Type Ia supernovae?

Sabrina Gronow, Christine E. Collins+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 86被引用 5

一句话总结

本研究探讨了具有氦壳层的亚钱德拉塞克质量碳氧白矮星中双倍爆炸作为Ia型超新星前身体机制的可能。利用Arepo代码进行的三维流体动力学模拟以及通过ARTIS进行的辐射转移计算表明，核心质量和氦壳层质量（以及金属度）的变化可重现从低光度到正常光度的Ia型超新星亮度范围，尽管模型在40天时的衰减速率高于观测值。

ABSTRACT

Sub-Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs (CO WDs) with a surface helium (He) shell have been proposed as progenitors of Type Ia supernovae (SNe Ia). If true, the resulting thermonuclear explosions should be able to account for at least some of the range of SNe Ia observables. To study this, we conduct a parameter study based on 3D simulations of double detonations in CO WDs with a He shell, assuming different core and shell masses. An admixture of C to the shell and solar metallicity are included in the models. The hydrodynamic simulations are carried out using the AREPO code. This allows us to follow the He shell detonation with high numerical resolution, and improves the reliability of predicted nucleosynthetic shell detonation yields. The addition of C to the shell leads to a lower production of 56Ni while including solar metallicity increases the production of IMEs. The production of higher mass elements is further shifted to stable isotopes at solar metallicity. Moreover, we find different core detonation ignition mechanisms depending on the core and shell mass configuration. This has an influence on the ejecta structure. We present the bolometric light curves predicted from our explosion simulations using the radiative transfer code ARTIS, and make comparisons with SNe Ia data. The bolometric light curves of our models show a range of brightnesses, able to account for sub-luminous to normal SNe Ia. We show the model bolometric width-luminosity relation compared to data for a range of viewing angles. We find that, on average, our brighter models lie within the observed data. The ejecta asymmetries produce a wide distribution of observables, which might account for outliers in the data. However, the models overestimate the extent of this compared to data. We also find the bolometric decline rate over 40 days appears systematically faster than data. (abridged)

研究动机与目标

• 确定亚钱德拉塞克质量CO白矮星的核心与氦壳层质量的变化是否可解释观测到的Ia型超新星（SN Ia）光度多样性。
• 评估氦壳层金属度（太阳值与零值）对核合成产物和总辐射光曲线的影响。
• 评估不同核心爆炸点火机制（汇聚激波、剪刀式、边缘点火）在塑造抛射物不对称性及可观测量中的作用。
• 将模拟的总辐射光曲线与观测到的Ia型超新星数据进行比较，特别是宽度-光度关系与衰减速率。
• 研究视角依赖性可观测量及其对解释Ia型超新星数据的影响，特别是异常值与数据离散性。

提出的方法

• 使用Arepo代码进行三维流体动力学模拟，以模拟具有不同核心与氦壳层质量的CO白矮星中的双倍爆炸。
• 在氦壳层中引入碳杂质与太阳金属度，以评估其对核合成与不透明度的影响。
• 采用蒙特卡洛辐射转移代码ARTIS，从多个视角计算爆炸模拟的总辐射光曲线。
• 追踪核合成产物，特别是56Ni的生成量，并分析不同爆炸点火机制导致的抛射物结构与不对称性。
• 将模拟的光曲线（包括Δm40(bol)）与Scalzo等人（2019）的总辐射Ia型超新星光变曲线数据集进行比较，以评估模型的保真度。
• 分析视角依赖性可观测量，量化不对称56Ni分布对观测亮度与衰减速率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚M$_{\text{Ch}}$ CO白矮星的核心与氦壳层质量的变化是否可重现观测到的Ia型超新星峰值光度范围？
• RQ2 在氦壳层中引入太阳金属度如何影响核合成产物与总辐射光曲线演化？
• RQ3 在不同质量构型下，主导的核心爆炸点火机制是什么？它们如何影响抛射物不对称性？
• RQ4 模拟的总辐射光曲线在多大程度上与观测到的Ia型超新星宽度-光度关系及衰减速率（如Δm40(bol)）相符？
• RQ5 视角依赖性可观测量如何影响Ia型超新星数据的解释？它们是否能解释数据中的异常值或离散性？

主要发现

• 不同核心与氦壳层质量的模型产生不同的56Ni质量，从而可重现从低光度到正常光度的Ia型超新星峰值亮度。
• 引入太阳金属度可增加中间质量元素（IMEs）的产量，并使较重元素更倾向于稳定同位素；而壳层中的碳则会降低56Ni的产量。
• 总辐射光曲线强烈依赖于观测视角，这是由于56Ni分布的不对称性所致，亮度较高的视线方向表现出更高的峰值光度。
• 研究中较亮的模型符合观测到的宽度-光度关系，但最暗的模型比任何观测到的Ia型超新星都更暗。
• 模型高估了40天时的衰减速率（Δm40(bol)），表现出比实际观测到的Ia型超新星更快的衰减，提示模型中可能存在过低的不透明度，或质量/速度/成分设置不准确。
• 视线方向可观测量的分布比实际观测到的Ia型超新星样本更宽，表明仅靠抛射物不对称性可能无法完全解释数据的离散性。