[논문 리뷰] Molecules and dust in Cassiopeia A: II - Dust sputtering and diagnosis of dust survival in supernova remnants

Chiara Biscaro, Isabelle Cherchneff|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 17.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 87인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 먼지의 스푸터링을 카시오페아 A와 타입 II-P 초신성에서 덩어리진 폭발 물질을 고려하여 초신성 잔여물에서 먼지의 생존 가능성을 평가하기 위해 모델링한다. 비열역학적 스푸터링이 밀도가 높은 덩어리에서 먼지 질량을 40–80% 감소시키며, 잔여물 단계에서 초기 먼지의 약 6–11%만 생존한다. 그러나 타입 II-P 초신성의 밀도가 높은 폭발 물질은 먼지의 14–45%를 보존하여 은하계의 효율적인 먼지 생성원임을 시사한다.

ABSTRACT

We study the dust evolution in the supernova remnant Cassiopeia A. We follow the processing of dust grains that formed in the Type II-b supernova by modelling the sputtering of grains. The dust is located in dense ejecta clumps crossed by the reverse shock. Further sputtering in the inter-clump medium once the clumps are disrupted by the reverse shock is investigated. The dust evolution in the dense ejecta clumps of Type II-P supernovae and their remnants is also studied. We study oxygen-rich clumps that describe the ejecta oxygen core, and carbon-rich clumps that correspond to the outermost carbon-rich ejecta zone. We consider the dust components formed in the supernova, several reverse shock velocities and inter-clump gas temperatures, and derive dust grain size distributions and masses as a function of time. We find that non-thermal sputtering in clumps is important and accounts for reducing the grain population by ~ 40% to 80% in mass, depending on the clump gas over-density and the grain type and size. A Type II-b supernova forms small grains that are sputtered within clumps and in the inter-clump medium. For Cas A, silicate grains do not survive thermal sputtering in the inter-clump medium. Our derived masses of currently processed silicate, alumina and carbon grains in Cas A agree well with values derived from observations. Grains produced by Type II-P supernovae better survive the remnant phase. For dense ejecta clumps, dust survival efficiencies range between 42% and 98% in mass. For the SN1987A model, the derived surviving dust mass is in the range ~ 0.06-0.13 Msolar. This type of dense supernovae may efficiently provide galaxies with dust. Specifically, silicate grains over 0.1 micron and other grains over 0,05 micron survive thermal sputtering in the remnant. Therefore, pre-solar grains of supernova origin possibly form in the dense ejecta clumps of Type II-P supernovae.

연구 동기 및 목표

• 초신성 폭발 물질에서 형성된 먼지 입자가 초신성 잔여물에서 스푸터링 과정을 어떻게 견뎌내는지 조사하기 위해.
• 특히 비열역학적 및 열역학적 스푸터링에 영향을 미치는 덩어리진 폭발 물질의 구조가 먼지 처리에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 타입 II-b (Cas A)와 타입 II-P (예: SN1987A)에서 먼지의 생존 비율을 규명하기 위해.
• 시간에 따라 입자 진화를 모델링하여 카시오페아 A와 SN1987A와 같은 잔여물에서 관측된 먼지 질량과 이론적 예측 간의 불일치를 해소하기 위해.
• 특히 고적색도 고유성 은하에서의 간성간 먼지 예산에 대한 초신성의 기여를 평가하기 위해.

제안 방법

• 타입 II-b (Cas A)와 타입 II-P 초신성의 밀도가 높은 폭발 물질 덩어리에서 먼지 진화를 시간에 따라 변화하는 입자 스푸터링 모델을 사용해 시뮬레이션한다.
• 덩어리 내부에는 비열역학적 스푸터링 모델을 적용하고, 덩어리 간 공간에서는 열역학적 스푸터링을 적용하며, 충격 속도와 기체 온도를 변화시켜 분석한다.
• 비평형 조건에서 먼지 핵형성과 응집의 화학 동역학 모델로부터 유도된 입자 크기 분포를 사용한다.
• 질량에 따라 스푸터링 속도가 달라지는 다양한 먼지 종류를 고려: 실리케이트, 알루미나, SiC, 탄소, 각각의 크기에 따라 다르게 반응한다.
• 시간에 따라 결과를 통합하여 덩어리 내부 및 덩어리 간 영역에서 변화하는 먼지 질량과 입자 크기 분포를 계산한다.
• 모델 예측을 검증하기 위해 카시오페아 A와 SN1987A에서 관측된 따뜻한 먼지 복사와 시뮬레이션된 먼지 질량을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비열역학적 스푸터링이 타입 II-b 초신성인 카시오페아 A와 같은 밀도가 높은 폭발 물질 덩어리에서 먼지 질량 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 초신성 잔여물의 덩어리 간 공간에서 열역학적 스푸터링에 의해 먼지의 몇 퍼센트가 생존하는가?
• RQ3 입자 크기, 조성, 덩어리의 과밀도가 서로 다른 초신성 유형에서 먼지 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 밀도가 높은 폭발 물질을 가진 타입 II-P 초신성은 타입 II-b 초신성에 비해 간성간 먼지 예산에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 카시오페아 A와 SN1987A와 같은 잔여물에서 관측된 먼지 질량은 덩어리진 폭발 물질에서의 스푸터링 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 비열역학적 스푸터링이 밀도가 높은 덩어리에서 먼지 질량이 입자 종류, 크기, 충격 속도, 덩어리 과밀도에 따라 40–80% 감소한다.
• 카시오페아 A에서는 실리케이트 입자는 덩어리 간 공간에서 열역학적 스푸터링을 견디지 못하지만, 알루미나, SiC, 탄소 먼지는 생존 가능성이 있다.
• 카시오페아 A에서 초기 약 0.03 M⊙의 먼지 중 약 6–11%만 잔여물 단계에서 생존하며, 나머지는 스푸터링으로 인해 손실된다.
• 밀도가 높은 폭발 물질을 가진 타입 II-P 초신성의 경우, 먼지 생존 비율은 14%에서 45% 사이로 나타나 상당히 높은 보존 효율성을 보인다.
• SN1987A 유사 모델에서는 질량 기준으로 먼지 생존율이 42–98%에 이르며, 생존 먼지 질량은 0.06–0.13 M⊙에 이르러 먼지 생성의 높은 효율성을 시사한다.
• 실리케이트의 경우 0.1 µm 이상, 다른 종류의 입자는 0.05 µm 이상의 크기에서는 열역학적 스푸터링을 견디며, 이는 타입 II-P 초신성의 밀도가 높은 덩어리에서 기인함을 뒷받침한다.