[논문 리뷰] Supernova Type Ia progenitors from merging double white dwarfs: Using a new population synthesis model

Silvia Toonen, G. Nelemans외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 31.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 100인용 수 126

한 줄 요약

이 연구는 SeBa에서 업데이트된 이중성 인구 합성 모델을 사용하여 융합하는 이중 백색왜성(DWD)으로부터 Type Ia 초신성(SNIa)의 원천을 조사한다. 관측 결과와 비교할 때 지연 시간 분포의 형태는 일치하지만, 공통 대류권 진화가 α-또는 γ-공식으로 모델링되든 간에 예측된 SNIa의 비율은 관측된 값보다 7–12배 낮게 나타나, 관측된 SNIa 비율을 설명하기 위해 이중-백색왜성 채널만으로는 상당한 부족이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The study of Type Ia supernovae (SNIa) has lead to greatly improved insights into many fields in astrophysics, however a theoretical explanation of the origin of these events is still lacking. We investigate the potential contribution to the SNIa rate from the population of merging double carbon-oxygen white dwarfs. We aim to develope a model that fits the observed SNIa progenitors as well as the observed close double white dwarf population. We differentiate between two scenarios for the common envelope (CE) evolution; the alpha-formalism based on the energy equation and the gamma-formalism that is based on the angular momentum equation. In one model we apply the alpha-formalism always. In the second model the gamma-formalism is applied, unless the binary contains a compact object or the CE is triggered by a tidal instability for which the alpha-formalism is used. The binary population synthesis code SeBa was used to evolve binary systems from the zero-age main sequence to the formation of double white dwarfs and subsequent mergers. SeBa has been thoroughly updated since the last publication of the content of the code. The limited sample of observed double white dwarfs is better represented by the simulated population using the gamma-formalism than the alpha-formalism. For both CE formalisms, we find that although the morphology of the simulated delay time distribution matches that of the observations within the errors, the normalisation and time-integrated rate per stellar mass are a factor 7-12 lower than observed. Furthermore, the characteristics of the simulated populations of merging double carbon-oxygen white dwarfs are discussed and put in the context of alternative SNIa models for merging double white dwarfs.

연구 동기 및 목표

• 융합하는 이중 탄소-산소 백색왜성의 기여도가 관측된 Type Ia 초신성(SNIa) 비율에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다른 공통 대류권 진화 공식—α-공식(에너지 기반)과 γ-공식(각운동량 기반)—이 시뮬레이션된 DWD 인구와 SNIa 비율에 미치는 영향을 테스트하기 위해.
• 시뮬레이션된 DWD 인구를 관측된 가까운 이중 백색왜성 시스템과 비교하여 모델의 정확도를 평가하기 위해.
• 이중-백색왜성 시나리오만으로 관측된 SNIa 비율을 설명할 수 있는지, 또는 추가 원천 채널이 필요한지 결정하기 위해.

제안 방법

• 이중성 인구 합성 코드 SeBa를 업데이트하여, 이중성 시스템이 주 시퀀스의 초기 상태에서 DWD 형성과 이후 융합에 이르기까지의 진화를 시뮬레이션하였다.
• 두 가지 다른 공통 대류권 진화 규정을 적용: α-공식(에너지 기반)과 γ-공식(각운동량 기반), 특히 tidal 또는 밀도 높은 천체에 의해 유도된 공통 대류권 진화에는 α-공식을 혼합 적용하였다.
• 질량 이 trasfer, 공통 대류권 단계, 중력파 유도 진화를 포함한 전체 진화 순서를 시뮬레이션하였다.
• DWD 융합에서 유도된 SNIa의 지연 시간 분포(DTD)를 계산하고 관측된 DTD와 비교하였다.
• 단위 질량당 통합 SNIa 비율을 추정하고 관측된 값과 비교하였다.
• 관측된 DWD 중 SNIa 원천으로 기대되는 비율을 평가하고, 금속성, 초기 질량 함수, 이중성 비율이 합성 비율에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중-백색왜성 시나리오, 즉 융합하는 DWD를 통해 관측된 Type Ia 초신성의 지연 시간 분포를 재현할 수 있는가?
• RQ2 공통 대류권 공식 선택(α 대비 γ)이 예측된 DWD 융합 비율과 SNIa 원천 인구에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ3 시뮬레이션된 DWD 인구가 알려진 가까운 이중 백색왜성 시스템의 관측된 성질과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 왜 DWD 채널에서 예측된 SNIa 비율은 항상 관측된 비율보다 낮게 나타나며, 이러한 괴리의 원인은 무엇인가?
• RQ5 이중-백색왜성 시나리오는 관측된 SNIa 비율을 설명하기에 충분한가, 아니면 추가 원천 채널이 필요한가?

주요 결과

• 공통 대류권 진화 공식의 종류에 관계없이, 융합하는 이중 백색왜성의 시뮬레이션된 지연 시간 분포(DTD)는 관측 오차 범위 내에서 관측된 DTD 형태와 일치한다.
• DWD 채널에서 예측된 SNIa 비율은 관측된 비율보다 7–12배 낮게 나타나, 이중-백색왜성 시나리오만으로는 상당한 부족이 있음을 시사한다.
• γ-공식은 α-공식보다 관측된 가까운 이중 백색왜성 인구를 더 잘 재현하며, 특히 질량 비율 분포 측면에서 그러하다.
• 관측된 DWD 중 SNIa 원천으로 기대되는 비율은 모델상에서 뿐만 아니라 0.9–2.9%에 불과하며, 관측된 SNIa 비율을 맞추기 위해 필요한 10–30%보다 훨씬 낮다.
• 매우 낙관적인 가정—예를 들어 이중성 비율 70% 또는 저금속성—을 적용하더라도 합성 SNIa 비율은 여전히 관측 결과를 설명하기에 충분히 높지 않아, 추가 원천 채널이 필요함을 시사한다.
• 모델은 SNIa 원천의 수를 과소평가하며, 46개의 관측된 DWD 중 예상되는 SNIa 원천은 4–15개에 불과하지만, 현재로선 오직 두 개의 시스템만이 가능한 원천으로 확인되어 있어 상당한 괴리가 있음을 드러낸다.