[논문 리뷰] Oxygen issue in Core Collapse Supernovae

A. Elmhamdi|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 26개의 중심 붕괴 초신성(CC-SNe)의 난방 상태에서의 [O I] 6300,6364 Å 복사선을 분석하여 산소 질량과 광학적 두께의 진화를 추론한다. 선 밝기와 복사율 비율을 사용하여 산소 질량과 56Ni 질량을 유도하며, [O/Fe] 비율과 분출 질량에 의해 구분되는 두 가지 유형의 초신성—형 II와 Ib-c 초신성—이 존재함을 밝혀내며, 원형성 질량과 은하 화학적 풍부화에 대한 함의를 제시한다.

ABSTRACT

We study the spectroscopic properties of a selected sample of 26 events within Core Collapse Supernovae (CCSNe) family. Special attention is paid to the nebular oxygen forbidden line [O I] 6300,6364Å doublet. We analyze the line flux ratio "$F_{6300}/F_{6364}$", and infer information about the optical depth evolution, densities, volume-filling factors in the oxygen emitting zones. The line luminosity is measured for the sample events and its evolution is discussed on the basis of the bolometric light curve properties in type II and in type Ib-c SNe. The luminosities are then translated into oxygen abundances using two different methods. The resulting oxygen amounts are combined with the recovered $^{56}$Ni masses and compared with theoretical models by means of the "$[O/Fe] .vs. M_{ms}$" diagram. Two distinguishable and continuous populations, corresponding to Ib-c and type II SNe, are found. The higher mass nature of the ejecta in type II objects is also imprinted on the [Ca II] 7291,7324Å over [O I] 6300,6364Å luminosity ratios. Our results may be used as input parameters for theoretical models studying the chemical enrichment of galaxies.

연구 동기 및 목표

• 26개의 중심 붕괴 초신성(CC-SNe) 샘플에서 늦은 단계의 난방 상태에서의 [O I] 6300,6364 Å 선 밝기와 복사율 비율 F6300/F6364를 정량화하는 것.
• 난방 상태 선 밝기와 광학적 두께 제약 조건에 기반한 두 가지 독립적인 방법을 사용하여 산소 질량을 추정하는 것.
• 광구광선 곡선에서 유도된 56Ni 질량과 함께 유도된 산소 질량을 결합하여 [O/Fe] 비율과 원형성 질량 간의 관계를 평가하는 것.
• 선 밝기 비율인 [Ca II]/[O I]를 통해 형 II와 Ib-c 초신성 간의 분출 질량과 조성의 차이를 조사하는 것.
• 은하 화학 진화 모델에 사용하기 위한 이론적 CC-SN 수확량에 대한 관측적 제약 조건을 제공하는 것.

제안 방법

• SUSPECT 및 CfA 아카이브 자료에서 확보한 26개의 CC-SNe의 늦은 시기 난방 상태 스펙트럼을 이용하여 [O I] 6300,6364 Å 선 밝기를 측정한다.
• 광학적 두께와 산소 방출 영역의 밀도 구조를 추론하기 위해 F6300/F6364 복사율 비율을 계산하며, 케이스 B 재결합을 가정한다.
• 산소 질량을 추정하기 위해 두 가지 방법을 적용한다: 하나는 선 밝기와 충채율에 기반하고, 다른 하나는 광학적 두께와 전자 밀도에 기반한다.
• 방사성 붕괴 에너지 입력을 가정하여 광구광선 곡선을 이용해 56Ni 질량을 56Co 붕괴 기울기를 통해 유도한다.
• [Ca II] 7291,7324 Å / [O I] 6300,6364 Å 복사율 비율을 분출 질량과 원형성 핵 질량의 지표로 계산한다.
• 이론적 모델(Woosley & Weaver 1995, Thielemann et al. 1996, Nomoto et al. 1997)을 사용하여 [O/Fe] 비율 대 초기 질량도를 그려 관측된 수확량과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난방 상태에서 형 II, IIb, Ib, Ic 초신성 유형 간의 [O I] 6300,6364 Å 선 밝기와 F6300/F6364 복사율 비율은 어떻게 달라지나?
• RQ2 CC-SNe에서 추정된 산소 질량은 무엇이며, 광선 곡선에서 유도된 56Ni 질량과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 CC-SNe에서 관측된 [O/Fe] 비율은 연속적인 이중성 분포를 이룬다. 만약 그렇다면, 이는 원형성 질량과 폭발 물리학에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 [Ca II]/[O I] 선 밝기 비율은 CC-SNe 유형 간에 어떻게 변화하며, 이는 원형성 핵 질량의 추적자로 기능할 수 있는가?
• RQ5 관측된 산소 및 철 수확량이 원형성 질량 범위 전반에서 이론적 CC-SN 모델과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• [O I] 6300,6364 Å 선 밝기와 F6300/F6364 복사율 비율은 형 II와 Ib-c 초신성 간에 체계적인 차이를 보이며, 이는 산소 영역의 밀도와 광학적 두께의 차이를 시사한다.
• 난방 상태 선 밝기에 기반한 산소 질량은 약 0.3에서 약 6 M☉ 범위이며, SN 1998bw와 같은 Ic 초신성에서 가장 높은 값(5–6 M☉)을 보이며, 이는 높은 분출 질량과 낮은 희석을 시사한다.
• [Ca II]/[O I] 선 밝기 비율은 형 II 초신성에서 Ib-c 초신성보다 유의미하게 높으며, 이는 형 II 사건에서 더 큰 분출 질량을 나타내며 원형성 질량이 더 높다는 것과 일치한다.
• [O/Fe] 비율 대 Mms 다이어그램에서 두 개의 명확하고 연속적인 집단이 나타나며, 형 II 초신성은 더 높은 [O/Fe] 비율과 낮은 질량을, Ib-c 초신성은 더 낮은 [O/Fe] 비율과 높은 질량을 보이며, 이는 이론적 모델과 일치한다.
• 유도된 산소 질량과 56Ni 질량의 조합은 Woosley & Weaver (1995), Thielemann et al. (1996), Nomoto et al. (1997)의 이론적 수확량과 양호한 일치를 보이며, 이는 이들을 은하 화학 진화 모델에 사용하는 데 적합함을 뒷받침한다.
• 이 연구는 산소가 초기 은하 화학적 풍부화의 핵심 추적자임을 확인하며, 허브르 별에서 관측된 [O/Fe] > 0은 대량 항성의 주요 기여를 시사하며, 관측된 CC-SN 수확량과 일치한다.