[论文解读] The rates of Type Ia Supernovae. I. Analytical Formulations

L. Greggio|ArXiv.org|Apr 18, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 63被引用 159

一句话总结

本文提出了一种解析形式化方法，用于从星族中计算Ia型超新星（SNIa）的爆发率，将实现概率 $A_{\rm Ia}$ 和延迟时间分布 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 与前身体模型联系起来。结果表明，晚型星系中当前的SNIa爆发率约束了 $A_{\rm Ia} \sim 10^{-3}$ 每 $M_\odot$ 的恒星形成，且双简并通道优于单简并通道，因其具有更平缓的延迟时间分布，即在恒星爆发后0.3–3 Gyr内有一半的SNIa事件发生。

ABSTRACT

This paper provides a handy tool to compute the impact of Type Ia Supernova (SNIa) on the evolution of stellar systems. An effective formalism is presented to couple the SNIa rate to the star formation history, which rests upon the definition of two key properties of the progenitor's model: the realization probability of the SNIa event from a single stellar generation and the distribution function of the delay times. It is shown that the current SNIa rate in late type galaxies implies that the realization probability is on the order of 0.001. Analytical formulations for the distribution function of the delay times for Single (SD) and Double Degenerate (DD) progenitors are derived, based on stellar evolution arguments. These formulations, which agree well with the results of Monte Carlo simulations for the evolution of close binaries, have a built in parametrization of the key properties of the alternative candidates. The various models for the progenitors have different impact on the large scales. In particular, the paper examines the systematic trend of the SNIa rate per unit mass with the color of the parent galaxy, and shows that the recent observations favor the DD model. The SD scenario can reproduce the data only if the distribution of the primordial mass ratios is flat, and the accretion efficiency onto the WD is close to 100%. The timescale for the Fe release from SNIa to the interstellar medium ranges between 0.3 and 3 Gyr for a wide variety of hypothesis on the SNIa progenitors. (ABRIDGED)

研究动机与目标

• 开发一种可处理的解析框架，用于从星族中计算SNIa爆发率，独立于完整的星族合成代码。
• 将实现概率 $A_{\rm Ia}$ 和延迟时间分布 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 与双星前身体系统的物理特性联系起来。
• 利用早期和晚型星系中SNIa爆发率的观测约束，对前身体模型（单简并与双简并）进行约束。
• 量化在星暴事件后，Ia型超新星事件释放铁元素的时间尺度，这对化学演化和星系际介质富集具有重要意义。
• 通过其对 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 形状及由此产生的SNIa爆发率演化的影响，实现对前身体模型的直接比较。

提出的方法

• 基于双星演化，推导出 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 的解析表达式，假设简化的质量转移和并合结果。
• 通过关键物理输入参数化前身体模型：最小/最大质量、质量比分布、轨道分离分布和吸积效率。
• 使用实现概率 $A_{\rm Ia}$ 对每单位恒星形成质量的总SNIa爆发率进行归一化。
• 将解析得到的 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 函数与在相同参数下使用星族合成代码的结果进行比较，显示出良好的一致性。
• 将该形式化方法应用于利用不同星系类型中SNIa爆发率趋势对前身体模型进行约束。
• 使用 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 的幂律近似，评估椭圆星系中SNIa爆发率相对于质量返还的长期演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 延迟时间分布 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 与双星前身体系统物理参数之间的解析关系是什么？
• RQ2 不同的前身体模型（单简并与双简并）如何预测不同的 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 形状和SNIa爆发率演化？
• RQ3 晚型星系中观测到的SNIa爆发率对实现概率 $A_{\rm Ia}$ 施加了何种约束？
• RQ4 不同星系类型中SNIa爆发率的观测趋势为何更倾向于双简并而非单简并通道？
• RQ5 在不同前身体模型下，星暴事件后一半SNIa事件发生的时标是多少？

主要发现

• 晚型星系中当前的SNIa爆发率将实现概率约束为 $A_{\rm Ia} \sim 10^{-3}$，即每形成1000 $M_\odot$ 恒星即发生一次SNIa爆发。
• 早期与晚型星系中SNIa爆发率的比较表明，延迟时间分布 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 必须在短延迟时间处更为丰富，这支持双简并通道。
• 双简并模型比单简并模型更符合观测数据，因为后者预测的 $f_{\rm Ia}(\tau)$ 衰减过快。
• 只有当质量比分布为平坦分布且吸积效率接近100%时，单简并情景才能与观测结果一致。
• 在所有考虑的前身体模型中，星暴事件后一半SNIa事件发生的时标范围为0.3至3 Gyr。
• $f_{\rm Ia}(\tau)$ 的形状并非简单的幂律，其在中等延迟时间处存在显著峰值，这会影响椭圆星系中气体流动的动力学。