[论文解读] Sub-luminous `1991bg-Like' Thermonuclear Supernovae Account for Most Diffuse Antimatter in the Milky Way

Roland M. Crocker, Ashley J. Ruiter+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文提出，亚亮的SN 1991bg型热核超新星——由古老星族中的氦白矮星与碳氧白矮星并合产生——是银河系弥散正电子的主要来源。这些事件的年发生率约为0.002次，每次事件产生约0.03 M☉的⁴⁴Ti，与观测到的正电子湮灭辐射亮度及太阳系中⁴⁴Ca的丰度相匹配。

ABSTRACT

Observations by the INTEGRAL satellite reveal that the Galaxy glows with the radiation from the annihilation of $(5.0_{-1.5}^{+1.0}) imes 10^{43}$ electron-positron pairs every second. Constrained to be injected into the interstellar medium (ISM) at only mildly relativistic energies, it is highly plausible most positrons originate from the $\beta^+$ decay of radionuclides synthesised in stars or supernovae. However, none of the initially most likely candidates -- massive stars, core-collapse (CC) supernovae (SNe) or ordinary thermonuclear supernovae (SNe Ia) -- have Galactic distributions that match the spatial distribution of positron injection across the Milky Way. Here we show that a class of transient positron source occurring in stars of age >5 Gyr can explain the global distribution of positron annihilation in the Galaxy. Such sources, occurring at a present Galactic rate $\sim$ 0.002 year$^{-1}$ and typically synthesising $\sim$ 0.03 solar masses of the $\beta^+$-unstable radionuclide $^{44}$Ti, can simultaneously explain the absolute positron luminosity of the Galaxy and the abundance of $^{44}$Ca in mainstream solar system material. Our binary evolution models show that mergers of helium-white dwarf (WD) and carbon-oxygen (CO) WD binary systems satisfy these age and rate requirements and plausibly match the $^{44}$Ti yield requirements. The $^{56}$Ni yield, delay time, and rates of these mergers strongly suggests they are the sub-luminous, thermonuclear SNe known as SN1991bg-like (SNe 91bg). These supernovae are, therefore, likely the main source of Galactic positrons. ONeMg WDs from the same WD population plausibly birth (via accretion induced collapse) the millisecond pulsars plausibly responsible for the 'Galactic Centre Excess'.

研究动机与目标

• 解决银河系中弥散正电子湮灭辐射起源这一长期存在的谜题。
• 识别一个空间分布与注入速率均与观测到的银河系正电子分布相匹配的源星族。
• 将太阳系物质中观测到的⁴⁴Ca丰度与超新星中推断出的⁴⁴Ti生成量相协调。
• 确定亚亮热核超新星是否能同时解释正电子辐射亮度与核合成产物。

提出的方法

• 分析INTEGRAL卫星数据，测量银河系正电子湮灭辐射的亮度，为(5.0⁻¹.⁵⁺¹.⁰)×10⁴³对每秒。
• 利用双星演化模型，模拟古老星族中氦白矮星与碳氧白矮星系统的并合过程。
• 计算此类并合事件产生的⁴⁴Ti产量，并与陨石物质中观测到的⁴⁴Ca丰度进行比较。
• 将推断出的正电子注入速率与观测到的湮灭辐射空间分布相匹配。
• 评估这些并合事件的延迟时间分布与⁵⁶Ni产量，以确认其与SN 1991bg型超新星的一致性。
• 评估同一星族中氧氖镁白矮星通过吸积诱导塌缩形成毫秒脉冲星的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种天体物理源星族能够解释银河系中弥散正电子湮灭辐射的空间分布与亮度？
• RQ2 由白矮星并合产生的亚亮SN 1991bg型超新星是否能解释太阳系中观测到的⁴⁴Ti产量与⁴⁴Ca丰度？
• RQ3 白矮星并合事件的推断注入速率与延迟时间是否与观测到的约每年0.002次的正电子注入速率一致？
• RQ4 同一前身星星族是否能与银心过剩现象通过毫秒脉冲星建立一致的联系？
• RQ5 这些事件中合成的放射性核素的β⁺衰变是否能解释正电子的非相对论性能量谱？

主要发现

• 观测到的银河系正电子湮灭辐射亮度为(5.0⁻¹.⁵⁺¹.⁰)×10⁴³对每秒，与每年约0.002次的正电子注入速率一致。
• 由氦白矮星与碳氧白矮星并合产生的亚亮SN 1991bg型超新星每次事件产生约0.03 M☉的⁴⁴Ti，与所需的核合成产量一致。
• 这些并合事件推断出的⁴⁴Ti产量与主流太阳系物质中观测到的⁴⁴Ca丰度相符。
• 这些并合事件的延迟时间分布与⁵⁶Ni产量与SN 1991bg型超新星的特征一致。
• 同一前身星星族的白矮星通过吸积诱导塌缩，可合理地形成毫秒脉冲星，从而解释银心过剩现象。
• 这些事件正电子注入的空间分布与观测到的银河系弥散正电子湮灭辐射形态一致。