[论文解读] Significantly super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs as progenitors for peculiar over-luminous type Ia supernovae

Banibrata Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，高度磁化或经修正引力作用的白矮星可超过钱德拉塞卡极限，质量最高可达3.4 M☉，其爆炸产生超亮的Ia型超新星（SNeIa）。通过牛顿力学、广义相对论及修正引力模型，本文表明此类超钱德拉塞卡白矮星可稳定存在，并爆炸为特殊且明亮的SNeIa，挑战了钱德拉塞卡极限的唯一性，并为宇宙学提出第二种标准烛光。

ABSTRACT

Since 2012, we have initiated developing systematically the simplistic to rigorous models to prove that highly super-Chandrasekhar, as well as highly sub-Chandrasekhar, limiting mass white dwarfs are possible to exist. We show that the mass of highly magnetized or modified Einstein's gravity induced white dwarfs could be significantly super-Chandrasekhar and such white dwarfs could altogether have a different mass-limit. On the other hand, type Ia supernovae (SNeIa), a key to unravel the evolutionary history of the universe, are believed to be triggered in white dwarfs having mass close to the Chandrasekhar-limit. However, observations of several peculiar, over- and under-luminous SNeIa argue for exploding masses widely different from this limit. We argue that explosions of super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs result in over-luminous SNeIa. We arrive at this revelation, first by considering simplistic, spherical, Newtonian white dwarfs with constant magnetic fields. Then we relax the Newtonian assumption and consider the varying fields, however obtain similar results. Finally, we consider a full scale general relativistic magnetohydrodynamic description of white dwarfs allowing their self-consistent departure from a sphere to ellipsoid. Subsequently, we also explore the effects of modified Einstein's gravity. Our finding questions the uniqueness of the Chandrasekhar-limit. It further argues for a possible second standard candle, which has many far reaching implications.

研究动机与目标

• 解释偏离标准光度-拉伸关系的特殊超亮Ia型超新星（SNeIa）的起源。
• 研究在强磁场或修正引力等极端物理条件下，白矮星是否可超过钱德拉塞卡极限。
• 确定此类超钱德拉塞卡白矮星是否可稳定存在，并通过热核爆炸产生超亮SNeIa。
• 探索修正爱因斯坦引力是否能同时解释白矮星的超钱德拉塞卡与亚钱德拉塞卡极限质量，统一解释超亮与亚亮SNeIa。
• 挑战钱德拉塞卡极限与爱因斯坦引力在天体物理中的普适性，提出更广泛的质量极限框架。

提出的方法

• 使用朗道能级量化电子能级，对具有恒定磁场的球对称牛顿白矮星进行建模。
• 拓展至广义相对论磁流体动力学（GRMHD），以考虑具有自洽磁场与引力效应的非球对称、椭球形白矮星。
• 通过斯托罗宾斯基型引力（含参数α）引入修正爱因斯坦引力，推导出依赖密度的质量极限。
• 在修正引力下求解修正的托尔曼-奥本海默-沃尔科夫方程，计算质量-半径关系与最大稳定质量。
• 利用费米动量与朗道能级量化，计算强磁场下的电子简并压。
• 分析核心密度（ρc）对质量与引力参数的依赖关系，以识别引力不稳定性阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强磁场或修正引力条件下，质量显著超过钱德拉塞卡极限的白矮星是否可以存在？
• RQ2 超钱德拉塞卡白矮星是否会产生光度更高、光变曲线衰减更快、动能更高的超亮SNeIa？
• RQ3 修正引力是否能同时解释白矮星的超钱德拉塞卡与亚钱德拉塞卡极限质量，统一解释超亮与亚亮SNeIa？
• RQ4 钱德拉塞卡极限是否仍具唯一性，或可在极端物理条件下被推广？
• RQ5 若SNeIa并非全部为标准烛光，而是源自不同质量的前身星，这对宇宙学有何影响？

主要发现

• 高度磁化的白矮星可具有高达钱德拉塞卡极限80%的新质量极限，具体为2.6–3.4 M☉，取决于磁场分布。
• 在GRMHD框架下，具有强磁场的椭球形白矮星可维持显著高于钱德拉塞卡极限的稳定质量，与超亮SNeIa前身星一致。
• 修正爱因斯坦引力（斯托罗宾斯基型）使α > 0时产生1.8–2.7 M☉的超钱德拉塞卡极限质量，α < 0时产生0.81–1.31 M☉的亚钱德拉塞卡极限质量。
• 当α > 0时，最大质量出现在核心密度10¹¹ gm/cc处，对应的核心温度足以触发热核失控。
• 修正引力中的有效参数α作为密度相关项，产生类似卡梅隆效应，稳定极端质量极限。
• 理论预测的爆炸性超钱德拉塞卡白矮星质量范围（2.3–2.8 M☉）与观测到的超亮SNeIa质量一致，验证了该模型。