[论文解读] Dust Formation Observed in Young Supernova Remnants with Spitzer

Jeonghee Rho, W. T. Reach+9 more|ORCA Online Research @Cardiff|Jan 13, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用斯皮策空间望远镜IRS光谱仪对四个年轻超新星遗迹（仙后座A、E0102、N132D和G11.2-0.3）进行观测，探测并表征了其中的尘埃形成过程，发现尘埃主要成分为硅酸盐、FeO和MgSiO₃，直接在喷出物中形成，仙后座A中尘埃质量为0.02–0.054 M⊙，E0102中为0.015 M⊙；首次在仙后座A中探测到CO第一泛音发射，表明喷出物中持续发生分子化学反应。

ABSTRACT

We present dust features and masses observed in young supernova remnants (SNRs) with Spitzer IRS mapping and staring observations of four youngest supernova remnants: SNR 1E102.2-7219 (E0102) in the SMC, Cas A and G11.2-0.3 in our Galaxy, and N132D in the LMC. The spectral mapping data revealed a number of dust features which include 21 micron-peak dust and featureless dust in Cas A and 18-micron peak dust in E0102 and N132D. The 18 micron-peak feature is fitted by a mix of MgSiO$_3$ and solid Si dust grains, while the 21-micron peak dust is by a mix of silicates and FeO; we also explore dust fitting using Continuous Distribution of Ellipsoid grain models. We report detection of CO fundamental band from Cas A in near-infrared. We review dust features observed and identified in other SNRs. The dust emission is spatially correlated with the ejecta emission, showing dust is formed in SN ejecta. The spectra of E0102 show rich gas lines from ejecta including strong ejecta lines of Ne and O, including two [Ne III] lines and two [Ne V] lines which allow us to diagnostic density and temperature of the ejecta and measure the ejecta masses. E0102 and N132D show weak or lacking Ar, Si, and Fe ejecta, whereas the young Galactic SNR Cas A show strong Ar, Si, and S and weak Fe. We discuss compositions and masses of dust and association with those of ejecta and finally, dust contribution from SNe to early Universe.

研究动机与目标

• 利用红外光谱学识别并量化年轻超新星遗迹喷出物中的尘埃形成过程。
• 确定新形成尘埃的化学成分，并将其与喷出物元素相关联。
• 评估超新星对早期宇宙星际尘埃的贡献。
• 研究年轻SNR中分子气体（尤其是CO）的存在，以理解爆炸后的化学过程。
• 通过结合斯皮策IRS的映射与定点观测模式，解决先前尘埃质量估算中的矛盾。

提出的方法

• 对仙后座A、E0102和N132D进行斯皮策IRS光谱映射，对G11.2-0.3采用定点观测模式，以解析空间分辨的尘埃特征。
• 采用连续椭球分布（CDE）模型拟合尘埃发射特征，约束颗粒成分。
• 对21 μm和18 μm尘埃峰值进行光谱拟合，识别出硅酸盐、FeO、MgSiO₃和SiO₂为主要组分。
• 在帕洛玛200英寸望远镜上获取近红外WIRC观测，探测2.294 μm波长处CO (2-0)第一泛音发射。
• 将仙后座A中CO的流量与SN 1987A进行比较，在相似物理条件下估算分子质量。
• 将尘埃发射与喷出物谱线图（如[Ar II]、[Ne II]、[O IV]）进行对比，确认尘埃形成于喷出物中，而非前景物质。

实验结果

研究问题

• RQ1 年轻超新星遗迹喷出物中形成的尘埃具有何种化学成分？
• RQ2 年轻SNR中尘埃发射特征与质量与超新星尘埃形成的理论预测相比如何？
• RQ3 年轻SNR中的尘埃是否与喷出物元素在空间上相关，表明其形成于爆炸残骸中？
• RQ4 仙后座A中分子气体（CO）的质量是多少？其存在对SN喷出物中混合与化学过程有何含义？
• RQ5 超新星在多大程度上贡献了早期宇宙的星际尘埃总量？

主要发现

• 仙后座A中尘埃发射在21 μm处达到峰值，且与[Ar II]、[O IV]和[Ne II]喷出物谱线在空间上相关，证实尘埃形成于喷出物中。
• 21 μm峰值最佳拟合为硅酸盐、FeO和MgSiO₃的混合物，CDE建模支持非晶态硅酸盐与氧化物颗粒的成分。
• E0102与N132D的18 μm峰值尘埃特征由MgSiO₃与固态Si拟合，表明其尘埃形成条件与仙后座A不同。
• 在仙后座A中测得新形成尘埃总质量为0.02–0.054 M⊙，显著高于以往估算值，但仍低于理论预测值。
• 在仙后座A中首次探测到CO (2-0)第一泛音发射，推算出的尘埃质量为(1.7–8.2) × 10⁻⁶ M⊙，表明喷出物中持续发生分子化学反应。
• CO的探测表明喷出物中分子混合程度有限，爆炸数年内气体尚未在分子尺度上完全混合，挑战了以往的假设。