[論文レビュー] Metallicity-dependent nucleosynthetic yields of Type Ia supernovae originating from double detonations of sub-M$_{ ext{Ch}}$ white dwarfs

Sabrina Gronow, Benoît Côté+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ヘリウムシェルを有するサブ・チャンダラセカール質量の炭素酸化物白色矮星における二重爆発を介した、金属量依存の核合成産物を調査した。0.01–3 Z⊙の金属量範囲で44体の流体力学的モデルを用い、金属量が高いほど22Neによる中性子過剰が増加し、54Fe、58Ni、特に55Mnの生成が促進されることを明らかにした。太陽系の[Mn/Fe]比と一致する産物がZ⊙で得られ、3 Z⊙では太陽を超える値を示し、サブ-MCh Iaの前身星が太陽マンガン含有量の80％以上を説明可能である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Double detonations in sub-Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs with helium shell are a potential explosion mechanism for a Type Ia supernova (SNe Ia). It comprises a shell detonation and subsequent core detonation. The focus of our study is on the effect of the progenitor metallicity on the nucleosynthetic yields. For this, we compute and analyse a set of eleven different models with varying core and shell masses at four different metallicities each. This results in a total of 44 models at metallicities between 0.01$Z_\odot$ and 3$Z_\odot$. Our models show a strong impact of the metallicity in the high density regime. The presence of $^{22}$Ne causes a neutron-excess which shifts the production from $^{56}$Ni to stable isotopes such as $^{54}$Fe and $^{58}$Ni in the $α$-rich freeze-out regime. The isotopes of the metallicity implementation further serve as seed nuclei for additional reactions in the shell detonation. Most significantly, the production of $^{55}$Mn increases with metallicity confirming the results of previous work. A comparison of elemental ratios relative to iron shows a relatively good match to solar values for some models. Super-solar values are reached for Mn at 3$Z_\odot$ and solar values in some models at $Z_\odot$. This indicates that the required contribution of SNe Ia originating from Chandrasekhar mass WDs can be lower than estimated in orevious work to reach solar values of [Mn/Fe] at [Fe/H]$=0$. Our galactic chemical evolution models suggest that SNe Ia from sub-Chandrasekhar mass white dwarfs, along with core-collapse supernovae, could account for more than 80% of the solar Mn abundance. Using metallicity-dependent SN Ia yields helps to reproduce the upward trend of [Mn/Fe] as a function of metallicity for the solar neighborhood. These chemical evolution predictions, however, depend on the massive star yields adopted in the calculations.

研究の動機と目的

• 二重爆発を経るサブ・チャンダラセカール質量白色矮星からのIa超新星における、前身星の金属量が核合成産物に与える影響を調査すること。
• 金属量が鉄族および中性子過剰核種の生成に与える影響、特に55Mnに焦点を当てること。
• サブ-MCh Iaの前身星からの金属量依存の産物が、観測された太陽系の[Mn/Fe]比と金属量に伴う[Mn/Fe]上昇傾向を再現できるかどうかを評価すること。
• サブ-MCh Ia超新星が銀河化学進化に果たす貢献、特にマンガンに関して評価すること。

提案手法

• 0.01 Z⊙、0.1 Z⊙、1 Z⊙、3 Z⊙の4つの金属量で、コアおよびシェル質量を変化させたサブ・チャンダラセカール質量白色矮星における二重爆発の44体の流体力学的モデルをシミュレートした。
• α捕獲およびα-rich freeze-out領域における凍結過程を含む詳細な核反応ネットワークを用いて、核合成産物を追跡した。
• 金属量範囲にわたって、56Ni、55Mn、54Fe、58Ni、60Feなどの放射性および安定同位体の産物を計算した。
• 爆発段階における同位体生成に及ぼす初期の中性子過剰の影響をモデル化するために、金属量依存の種核を用いた。
• 銀河化学進化モデルを用いて、サブ-MCh Ia超新星が太陽系マンガンおよび鉄含有量に与える寄与を評価した。
• モデル予測を太陽系の同位体含有量および太陽系近辺の観測[Mn/Fe]傾向と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前身星の金属量が、二重爆発を経るサブ・チャンダラセカール質量Ia超新星における55Mn、56Ni、54Fe、58Niといった主要同位体の核合成産物にどのように影響を与えるか？
• RQ2 サブ-MCh Ia超新星からの金属量依存の産物が、観測された太陽系[Mn/Fe]比と金属量に伴う[Mn/Fe]の増加をどの程度再現できるか？
• RQ3 太陽マンガン含有量の何パーセントがサブ-MCh Ia超新星に起因すると考えられるか？また、チャンダラセカール質量のIa超新星からの寄与と比較するとどうなるか？
• RQ4 高金属量における22Neの存在が、α-rich freeze-out領域における電子密度および中性子過剰にどのように影響を与えるか？
• RQ5 サブ-MCh Ia超新星からの金属量依存の産物が、超新星爆発と組み合わせて、太陽マンガン含有量の80％以上を説明できるか？

主な発見

• 金属量が高いほど、22Neに起因する白色矮星内の中性子過剰が増加し、α-rich freeze-out領域での核合成が56Niから54Feや58Niといった安定同位体へシフトする。
• 55Mnの生成量は金属量に強く依存し、3 Z⊙では太陽を超える[Mn/Fe]比に達し、一部のモデルでは1 Z⊙で太陽値と一致する。
• 銀河化学進化モデルにおいて、コアコラプス超新星と組み合わせた場合、サブ・チャンダラセカール質量Ia超新星が太陽マンガン含有量の80％以上を占めうる。
• モデルは太陽系近辺における[Mn/Fe]の金属量に伴う上昇傾向を再現でき、金属量依存の産物の役割を支持する。
• 3 Z⊙では、モデルの産物が太陽値を超える[Mn/Fe]比を示し、太陽金属量における太陽[Mn/Fe]比に到達するためのチャンダラセカール質量Ia超新星の寄与が、従来の推定値よりも小さい可能性を示唆している。
• 核合成産物は高密度領域で金属量に強く敏感であり、金属量に応じた種核がシェル爆発段階における同位体生成に顕著に影響を与える。