[논문 리뷰] Progenitors of type Ia supernovae and the metallicity distribution of G-type dwarfs

N. Mennekens, D. Vanbeveren외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 03.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 은하 화학진화 모델과 이중성계 인구합성 모델을 결합하여 태양계 근처의 G형 주계열 항성의 관측된 금속성 분포를 재현할 수 있는지 검증한다. 단일 퇼드(단일 퇼드, SD)와 이중 퇼드(이중 퇼드, DD) 백색왜성 시스템이 가능한지를 평가한다. 연구 결과, 두 시나리오 모두 필요하며, 모든 융합 C-O 백색왜성들이 초신성 Ia의 기여를 해야 하며, 결과는 다양한 항성 형성 역사와 이중성계 진화 가정 조건에서도 강인함을 확인한다.

ABSTRACT

We investigate the contribution to the formation of type Ia supernovae of the single (a white dwarf accreting from a non-degenerate companion) and double (two merging white dwarfs) degenerate scenario, as well as various aspects of the binary evolution process leading to such a progenitor system. We aim to get a better insight into uncertainties and parameter spaces by means of a combined modelization, resulting in a reduction of the number of possible model approaches. This exclusion of parts of the parameter space is, as will be shown, often independent of uncertainties in the modelization. We use the combination of a population synthesis code with detailed binary evolution and a galactic chemical evolution model to predict the metallicity distribution of G-type dwarfs in the solar neighborhood. Because of the very long lifetime of these stars, this distribution is a good indicator of the entire chemical history of a region. By comparing the observed distribution with those predicted by assuming different type Ia supernova progenitors and evolutionary parameters (e.g. concerning mass and angular momentum loss and common envelope evolution), it is possible to constrain the possible combinations of assumptions. We find that in order to reproduce the observed G-dwarf metallicity distribution, it is absolutely necessary to include both the single and double degenerate scenario. The best match is obtained when all merging C-O white dwarfs contribute to the latter. The correspondence is also critically dependent on the assumptions about galaxy and star formation, e.g. the use of the two-infall model vs. a constant star formation rate. However, this does not affect the previous conclusion, which is consistent with the results obtained by investigating type Ia supernova delay time distributions in starburst galaxies.

연구 동기 및 목표

• 태양계 근처의 G형 주계열 항성의 관측된 금속성 분포를 가장 잘 재현할 수 있는 초신성 Ia 기원 시나리오—단일 퇼드 또는 이중 퇼드—를 규명한다.
• 질량 손실 및 운동량 손실, 공통 대류층 진화 등 불확실한 이중성계 진화 파라미터가 예측된 금속성 분포에 미치는 영향을 평가한다.
• 수동적으로 진화하는 은하에서 초신성 Ia의 지연 시간 분포(DTD)가 두 기원 채널을 모두 포함하는 데서 유의미한지 평가한다.
• 은하 항성 형성 역사(예: 이중 유입 모델 대비 일정한 항성 형성률)에 대한 가정이 기원 시나리오 모델의 관측과의 일치성에 미치는 영향을 조사한다.
• 이중성계 진화에서의 회전 효과와 대류핵 질량의 역할을 제약하기 위해 그 영향이 최종 금속성 분포에 미치는 영향을 테스트한다.

제안 방법

• 태양계 근처의 화학적 풍화 역사 시뮬레이션을 위해 인구합성 코드와 세밀한 이중성계 진화 모델, 은하 화학진화 모델을 결합한다.
• G형 주계열 항성의 금속성 분포를 핵심 관측 제약 조건으로 사용하며, 이 항성들은 탄생 시점의 간성간 매질의 화학 조성을 유지하고 있기 때문이다.
• 다양한 기원 시나리오를 테스트: 단일 퇼드(비퇴화성 동반성으로부터 물질을 수축하는 백색왜성) 및 이중 퇼드(융합 C-O 백색왜성)
• 질량 손실, 공통 대류층 효율, 대류핵 질량 등의 핵심 파라미터를 변화시켜 그 영향이 예측된 금속성 분포에 미치는 영향을 평가한다.
• 모델 예측을 관측된 G형 주계열 항성의 금속성 분포와, 수동적으로 진화하는 은하에서의 지연 시간 분포와 비교한다.
• 결과의 강인성을 검증하기 위해 이중 유입 모델과 일정한 항성 형성률(SFR) 시나리오를 모두 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 퇼드 시나리오만으로 태양계 근처 G형 주계열 항성의 관측된 금속성 분포를 재현할 수 있는가?
• RQ2 관측된 G형 주계열 항성의 금속성 분포를 일치시키기 위해 이중 퇼드 시나리오가 필수적인가, 그리고 융합 C-O 백색왜성의 몇 퍼센트가 초신성 Ia로 폭발해야 하는가?
• RQ3 질량 손실 및 운동량 손실 등의 이중성계 진화 파라미터에 대한 불확실성이 모델 예측에 얼마나 민감하게 영향을 미치는가?
• RQ4 두 기원 채널을 모두 포함함으로써 수동적으로 진화하는 은하에서의 관측된 지연 시간 분포와의 일치도 향상되는가?
• RQ5 다양한 항성 형성 역사(예: 이중 유입 대비 일정한 SFR)는 기원 시나리오 모델이 관측 제약 조건과의 일치성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 태양계 근처 G형 주계열 항성의 관측된 금속성 분포를 재현하기 위해 단일 퇼드 시나리오와 이중 퇼드 시나리오 모두 필요하다.
• 모든 융합 C-O 백색왜성이 이중 퇼드 채널에 기여할 경우 관측과 가장 잘 일치하며, 이는 높은 폭발 효율을 시사한다.
• 이중 유입 모델과 일정한 항성 형성률 조건을 포함한 다양한 항성 형성 역사 조건에서도 결과가 강인함을 확인하여, 결론이 이러한 가정에 독립적임을 시사한다.
• 모델은 대부분의 이중 퇼드 기원 시스템이 안정적이고 준보존적인 로흐 로브 오버플로우를 겪은 후 공통 대류층 단계를 거친다는 것을 보여준다.
• 금속성 분포가 이중성계 및 은하 진화 과정에 매우 민감하게 의존함을 확인함으로써, 인구합성 모델에서 불확실한 파라미터를 추가로 제약할 수 있는 길이 열린다.
• 관측된 은하 관측치와의 일치를 향상시키기 위해 약간 더 큰 대류핵 질량이 필요하며, 이는 회전 효과를 고려할 때 유의미한 개선을 이룬다.