[论文解读] Theoretical Studies of Accretion of Matter onto White Dwarfs and the Single Degenerate Scenario for Supernovae of Type Ia

S. Starrfield, C. Iliadis+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 4被引用 24

一句话总结

本文研究了在不发生核心混合的情况下，类太阳物质向碳氧白矮星（WDs）的吸积过程，表明此类系统始终会发生热核爆发（TNR），并持续增重——质量峰值可达1.25 M⊙，同时约有4%的质量被抛射——支持了Ia型超新星的单简并星模型。相比之下，吸积物质与核心物质混合则导致经典新星、再发新星和共生新星爆发，并通过核合成过程使星际介质富集元素。

ABSTRACT

We present a brief summary of the Single Degenerate Scenario for the progenitors of Type Ia Supernovae in which it is assumed that a low mass carbon-oxygen white dwarf is growing in mass as a result of accretion from a secondary star in a close binary system. Recent hydrodynamic simulations of accretion of solar material onto white dwarfs without mixing always produce a thermonuclear runaway and steady burning does not occur. For a broad range in WD mass (0.4 Solar masses to 1.35 Solar Masses), the maximum ejected material occurs for the 1.25 Solar Mass sequences and then decreases as the white dwarf mass decreases. Therefore, the white dwarfs are growing in mass as a consequence of the accretion of solar material and as long as there is no mixing of accreted material with core material. In contrast, a thermonuclear runaway in the accreted hydrogen-rich layers on the low luminosity WDs in close binary systems where mixing of core matter with accreted material has occurred is the outburst mechanism for Classical, Recurrent, and Symbiotic novae. The differences in characteristics of these systems is likely the WD mass and mass accretion rate. The high levels of enrichment of CN ejecta in elements ranging from carbon to sulfur confirm that there is dredge-up of matter from the core of the WD and enable them to contribute to the chemical enrichment of the interstellar medium. Therefore, studies of CNe can lead to an improved understanding of Galactic nucleosynthesis, some sources of pre-solar grains, and the Extragalactic distance scale. The characteristics of the outburst depend on the white dwarf mass, luminosity, mass accretion rate, and the chemical composition of both the accreting material and WD material. The properties of the outburst also depends on when, how, and if the accreted layers are mixed with the WD core and the mixing mechanism is still unknown.

研究动机与目标

• 确定在与Ia型超新星单简并星模型相关的条件下，白矮星能否在不发生核心与吸积物质混合的情况下通过吸积类太阳物质实现质量增长。
• 研究白矮星质量、光度、质量吸积率及成分对吸积层中热核爆发（TNR）结果的影响。
• 探讨存在与不存在核心混合的系统在经典新星、再发新星和共生新星爆发特性上的差异。
• 量化TNR过程中的核合成产物，特别是从碳到硫的元素富集程度，并将其与银河系核合成及前太阳系颗粒形成联系起来。
• 利用后处理蒙特卡洛技术评估核反应速率和对流混合对TNR演化及光曲线特性的影响。

提出的方法

• 对质量范围为0.4–1.35 M⊙的碳氧白矮星，模拟类太阳成分物质在有无吸积物质与白矮星核心混合情况下的吸积过程，采用流体动力学模拟。
• 使用MESA恒星演化代码模拟吸积层的热力学与成分演化，包括通过传导和辐射的能量生成与传输。
• 应用STARLIB核反应速率库计算TNR阶段的核燃烧速率，并对反应速率变化进行敏感性测试。
• 对模拟中获得的温度-密度-时间轨迹进行后处理蒙特卡洛分析，以计算核合成产物，并与观测到的新星喷出物成分进行比较。
• 分析光曲线、峰值光度（包括爱丁顿极限行为）及质量抛射分数，以评估TNR作为超新星或新星前身体的可行性。
• 对比不同白矮星质量与吸积率下的结果，确定稳定燃烧或TNR发生的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不发生核心混合的情况下，白矮星能否通过吸积类太阳物质实现质量增长？这一过程是否支持Ia型超新星的单简并星模型？
• RQ2 在无混合吸积情景下，质量抛射分数如何随白矮星质量变化？最大质量增长出现在何处？
• RQ3 吸积物质与白矮星核心发生混合与不发生混合的系统中，热核爆发的特性有何不同？
• RQ4 对流混合与核反应速率在塑造新星爆发的光曲线与核合成产物中起什么作用？
• RQ5 观测到的新星喷出物成分（如C、N、O、Ne、S）在多大程度上证实了核心翻覆过程，并对银河系化学富集有怎样的贡献？

主要发现

• 在0.4 M⊙至1.35 M⊙的白矮星质量范围内，无混合吸积的流体动力学模拟始终产生热核爆发（TNR），未观测到稳定燃烧现象。
• 1.25 M⊙白矮星的质量抛射分数最大，约为4%，而0.7 M⊙白矮星则降至约0.1%，表明后者的净质量增长。
• 在不发生混合的情况下，吸积类太阳物质的白矮星会随时间持续增重，只要剩余质量超过抛射质量，即支持Ia型超新星的单简并星模型。
• 相比之下，吸积物质与核心物质发生混合的系统会产生经典新星、再发新星和共生新星，喷出物中CN及从碳到硫的重元素富集程度极高。
• 观测到的新星喷出物核合成产物证实了核心翻覆过程，并表明新星对星际介质的富集及前太阳系颗粒形成具有重要贡献。
• 爆发特性——包括光曲线形状、峰值光度及化学成分——在很大程度上取决于白矮星质量、吸积率，以及TNR阶段中对流混合的未知时间尺度与程度。