[논문 리뷰] Origin of central abundances in the hot intra-cluster medium - II. Chemical enrichment and supernova yield models

François Mernier, J. de Plaa외 8명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2016. 08. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 105인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 44개의 은하단에서 관측된 고온의 은하단간 물질(ICM) 내 X선 원소 비율을 초신성 핵합성 모델과 비교하여, 표준 SNIa 및 SNcc 모델이 Ca/Fe 및 Ni/Fe 비율을 재현하지 못함을 발견하였다. 연구는 SNIa의 타르트-불꽃 모델과 지연 폭발 모델의 혼합, 또는 Ca-rich gap 전이천체의 기여가 관측 결과와 더 잘 부합함을 시사하며, ICM 풍부화에 기여하는 SNIa 비율이 29–45%로 추정되며, 원형태양계보다 높음을 밝혔다.

ABSTRACT

The hot intra-cluster medium (ICM) is rich in metals, which are synthesised by supernovae (SNe) and accumulate over time into the deep gravitational potential well of clusters of galaxies. Since most of the elements visible in X-rays are formed by type Ia (SNIa) and/or core-collapse (SNcc) supernovae, measuring their abundances gives us direct information on the nucleosynthesis products of billions of SNe since the epoch of the star formation peak (z~2-3). In this study, we compare the most accurate average X/Fe abundance ratios (compiled in a previous work from XMM-Newton EPIC and RGS observations of 44 galaxy clusters, groups, and ellipticals), representative of the chemical enrichment in the nearby ICM, to various SNIa and SNcc nucleosynthesis models found in the literature. The use of a SNcc model combined to any favoured standard SNIa model (deflagration or delayed-detonation) fails to reproduce our abundance pattern. In particular, the Ca/Fe and Ni/Fe ratios are significantly underestimated by the models. We show that the Ca/Fe ratio can be reproduced better, either by taking a SNIa delayed-detonation model that matches the observations of the Tycho supernova remnant, or by adding a contribution from the Ca-rich gap transient SNe, whose material should easily mix into the hot ICM. On the other hand, the Ni/Fe ratio can be reproduced better by assuming that both deflagration and delayed-detonation SNIa contribute in similar proportions to the ICM enrichment. In either case, the fraction of SNIa over the total number of SNe (SNIa+SNcc) contributing to the ICM enrichment ranges within 29-45%. This fraction is found to be systematically higher than the corresponding SNIa/SNe fraction contributing to the enrichment of the proto-solar environnement (15-25%). We also discuss and quantify two useful constraints on both SNIa and SNcc that can be inferred from the ICM abundance ratios.

연구 동기 및 목표

• 은하단의 고온 은하단간 물질(ICM)의 화학적 풍부화를 이끌고 있는 주요 초신성 유형을 규명하는 것.
• 표준 타입 Ia(SNIa) 및 핵붕괴(SNcc) 초신성 수확 모델이 관측된 ICM 원소 농도 패턴을 재현할 수 있는지 테스트하는 것.
• 다양한 SNIa 폭발 모델(불꽃 모델 대비 지연 폭발 모델)과 보조적인 초신성 유형(예: Ca-rich gap 전이천체)이 ICM 금속 풍부화에 기여하는 상대적 기여도를 정량화하는 것.
• 초기 금속 농도, 질량함수 함수(IMF), 저질량 항성에서 기인하는 SNIa 비율 등의 핵심 천체물리학적 매개변수에 대한 제약 조건을 도출하는 것.
• 은하단에서 SNIa의 주요 채널로 하이드로젠이 없는 질량 하한 이하의 백색왜성 폭발 모델이 타당한지 평가하는 것.

제안 방법

• 44개의 은하단, 군집, 타원은하에 대한 XMM-Newton EPIC 및 RGS 관측에서 확보한 고정밀도 X/Fe 원소 비율을 관측 제약 조건으로 사용함.
• 문헌에서 확보한 다양한 SNIa 및 SNcc 핵합성 수확 모델(불꽃 및 지연 폭발 SNIa 포함)과 관측된 원소 패턴을 비교함.
• 특히 SNIa 폭발 물리학에 가장 민감한 Ca/Fe 및 Ni/Fe 비율을 분석하여 모델 적합도를 평가함.
• ICM 풍부화가 원형태양계 조성과 어떻게 비교 가능한지 분석하기 위해 원형태양계 원소 농도 제약 조건을 통합함.
• Ca-rich gap 전이천체와 같은 보조 초신성 채널이 관측된 Ca/Fe 비율 재현에 미치는 영향을 평가함.
• 원자 데이터, 기기 캘리브레이션, 수확 모델의 불확도를 정량화하여 이들이 모델 해석에 미치는 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 SNIa 및 SNcc 수확 모델이 고온의 은하단간 물질(ICM) 내 관측된 X/Fe 원소 비율을 재현할 수 있는가?
• RQ2 ICM 풍부화에 기여하는 초신성의 비율 중 SNIa 비율은 얼마이며, 원형태양계의 SNIa 비율과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 ICM 내 높은 Ca/Fe 비율은 알려진 SNIa 폭발 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 추가적인 초신성 채널(예: Ca-rich gap 전이천체)이 필요한가?
• RQ4 ICM 원소 농도 패턴은 SNcc 원형의 초기 금속 농도와 IMF에 어떤 제약 조건을 둘 수 있는가?
• RQ5 폭발적 하이드로젠이 없는 질량 하한 이하의 백색왜성 폭발 모델은 은하단에서 SNIa의 주요 채널로 타당한가?

주요 결과

• 표준 SNIa 및 SNcc 모델은 ICM 내 관측된 Ca/Fe 및 Ni/Fe 비율을 재현하지 못하며, 두 비율 모두 현저히 과소평가됨.
• Ca/Fe 비율은 타이코의 잔해를 재현하는 지연 폭발 SNIa 모델 또는 Ca-rich gap 전이천체의 기여가 함께 있을 경우 더 잘 재현됨.
• Ni/Fe 비율은 불꽃 모델과 지연 폭발 모델이 ICM 풍부화에 동일한 기여를 할 경우 가장 잘 일치함.
• ICM 풍부화에 기여하는 SNIa 비율은 약 29–45%로 추정되며, 원형태양계의 15–25%보다 뚜렷이 높음.
• SNcc 원형의 초기 금속 농도는 0이 아니어야 하며, 0 금속 농도 SNcc 모델은 데이터로 인해 배제됨.
• ICM 풍부화에 쌍극성 불안정성 초신성(PISNe)이 상당한 기여를 한다는 것은 원소 제약 조건에 의해 합리적으로 배제됨.