[论文解读] Origin of the Galactic 511 keV emission from positrons produced in irregular supernovae

Hagai B. Perets|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 30被引用 12

一句话总结

本文提出，由白矮星上氦爆炸引发的暗淡、富含钙的Ib型超新星（2005E型超新星）通过$^{44}$Ti衰变产生足够能量的正电子，可解释银河系511 keV伽马射线辐射。这些超新星主要发生在老年恒星系统中，自然地重现了观测到的银心主导分布和总辐射通量，无需引入暗物质或精细调节的天体物理源。

ABSTRACT

Gamma ray emission of 511 keV lines arising from electron-positron annihilation has been detected from the Galaxy since the 70s. Spatially resolved observations using the INTEGRAL satellite have shown its full sky distribution to be strongly concentrated in the Galactic bulge, with a smaller contribution from the disk, unlike the situation in any other wavelength. The puzzling distribution of the positrons gave rise to various suggestions, including stellar nucleosynthesis in core-collapse (CC) and type Ia thermonuclear supernovae (SNe), accreting compact objects, and more "exotic" explanations of annihilation of dark-matter particles. However, such models encounter difficulties in reproducing the total Galactic 511 keV flux as well as its peculiar bulge-centered distribution. Theoretical models of SNe from thermonuclear Helium detonations on white dwarfs (WDs) were suggested as potential additional sources of positrons, contributing to the Galactic Gamma-ray emission. Here, we show that the recently discovered class of faint, calcium-rich type Ib SNe (with the prototype SN 2005E), thought to arise from such explosions, also called ".Ia" SNe, can explain both the 511 keV flux and its distribution, and can eliminate the need for non-astrophysical (e.g., dark matter annihilation) sources. Such SNe comprise a fraction of only ~2% of all SNe, but they currently inject hundreds of times more positrons (from $^{44}$Ti decay) to the ISM than injected by CC SNe, enough to reproduce the total Galactic 511 keV line emission. They exclusively explode in old environments, and their contribution to the 511 keV emission therefore follows the old (>10 Gyrs) Galactic stellar population, dominated by the bulge, thereby reproducing the observed large bulge-to-disk ratio.

研究动机与目标

• 解释银河系511 keV伽马射线辐射的起源，尽管经过数十年观测仍未得到解释。
• 解决一个谜题：尽管已知源预期会主导银盘，但正电子湮灭却强烈集中在银河系银心中。
• 证明此前被忽视的一类暗淡、富含钙的Ib型超新星可同时解释辐射的总通量和空间分布。
• 通过展示一个具有一致观测约束的稳健天体物理源，排除非天体物理解释（如暗物质湮灭）。
• 提供一个物理解释机制，无需精细调节即可重现观测到的正电子产生率和银心/银盘比值。

提出的方法

• 建模2005E型超新星中$^{44}$Ti衰变产生的正电子，利用观测到的喷射物质量和富含钙的成分估算$^{44}$Ti产量。
• 采用星族合成方法，根据椭圆星系和星系晕中观测到的环境，将2005E型超新星归因于老年恒星系统（>10 Gyr）。
• 采用“银心+厚银盘”银河系结构模型（参考Picard等，2003年），计算空间分辨的正电子注入率。
• 将模型预测的银心和银盘正电子产生率与INTEGRAL数据观测值进行比较：$\dot{N}_{e^+} = 19.6_{-2}^{+2.3} \times 10^{42} \, \text{s}^{-1}$，$B/D \approx 1.42$。
• 纳入超新星率估算的不确定性（目前因探测偏倚而被低估）以及星族质量函数的不确定性。
• 通过与核心塌缩超新星和标准Ia型超新星已知的$^{44}$Ti贡献进行比较，验证一致性，表明其总贡献为次要成分。

实验结果

研究问题

• RQ1 2005E型超新星能否产生足够多的正电子，以解释银河系中观测到的511 keV辐射总通量？
• RQ2 2005E型超新星的空间分布（发生在老年恒星系统中）能否重现观测到的511 keV辐射银心/银盘比值？
• RQ3 该机制能否在不需精细调节或新奇物理的前提下，解释观测到的正电子产生率和注入能量（高达几MeV）？
• RQ4 2005E型超新星对511 keV辐射厚银盘组分的预期贡献是多少？与薄银盘相比如何？
• RQ5 是否存在可观测预测（如在SNR中探测到$^{44}$Ti的68/78 keV衰变线），可利用当前望远镜（如NuSTAR）验证该模型？

主要发现

• 2005E型超新星模型预测的总正电子产生率为$12.7 \pm 3.7 \times 10^{42} \, \text{s}^{-1}$，与观测值$19.6_{-2}^{+2.3} \times 10^{42} \, \text{s}^{-1}$一致。
• 该模型重现了观测到的银心/银盘正电子产生率比值$B/D = 1.5 \pm 0.6$，与观测值$1.42_{-0.30}^{+0.34}$相符。
• 厚银盘贡献为$1.95 \pm 0.73 \times 10^{42} \, \text{s}^{-1}$，表明厚/薄银盘比值为0.3，这与中心黑洞或暗物质源不一致。
• 该模型预测约10%的Ia型超新星为2005E型，该速率可能因星系银心中探测偏倚而被低估。
• 未来观测可在银河系银心和M31的SNR中探测到$^{44}$Ti衰变在68/78 keV的信号，特别是像SN 1885A这样的残骸，为该模型提供关键检验。
• 包含核心塌缩超新星的$^{44}$Ti贡献（最多$3 \times 10^{42} \, \text{s}^{-1}$）不会破坏一致性，总$\dot{N}_{e^+}^{\text{MW}} \approx 19 \times 10^{42} \, \text{s}^{-1}$，$B/D \approx 1.1$，仍在观测不确定范围内。