[論文レビュー] Time-Varying Extinction, Polarization, and Colors of Type Ia Supernovae due to Rotational Disruption of Dust Grains

Nguyen Chau Giang, Thiem Hoang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 66被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、Type Ia超新星（SNe Ia）の近傍で起こるダスト粒子の放射トルク破壊（RATD）が、観測された時間に依存する減光、偏光、色の変化——特に低RV（約1.5）および短波長での偏光ピーク（λmax < 0.4 µm）——を説明すると提案している。RATDは約40日以内に大粒径のダストを小粒径に急速に破壊し、粒径分布を変化させるとともに、放射トルクによる小粒径の配列を強化する。これにより、SNe Ia観測で見られる異常な減光および偏光特性が再現される。

ABSTRACT

Photometric and polarimetric observations toward type Ia supernovae (SNe Ia) frequently report an unusually low total-to-selective extinction ratio ($R_{ m V} < 2$) and small peak wavelength of polarization ($\lambda_{ m max}< 0.4 \mu m$). Recently, Hoang et al. proposed that the increase in the abundance of small grains relative to large grains near SNe Ia due to RAdiative Torque Disruption (RATD) can explain this puzzle. To test this scenario, we will perform detailed modeling of dust extinction and polarization of SNe Ia accounting for grain disruption by RATD and grain alignment by RAdiative Torques (RATs). For dust clouds at distance $d< 4$ pc from the source, we find that $R_{ m V}$ decreases rapidly from the standard value of $3.1$ to $\sim 1.5$ after a disruption time $t_{ m disr}\le 40$ days. We then calculate the observed SNe Ia light curve and find that the colors of SNe Ia would change with time due to time-varying extinction for dust clouds at distance of $d<4$ pc. We also calculate the wavelength-dependence polarization produced by grains aligned with the magnetic fields by RATs. We find that $ \lambda_{ m max}$ decreases rapidly from $\sim 0.55 \mu$m to $\sim 0.15 \mu$m over an alignment time of $t_{ m align}< 10$ days due to the enhanced alignment of small grains. By fitting the theoretical polarization curve with the Serkowski law, we find that the parameter $K$ from the Serkowski law increases when large grains are disrupted by RATD which can explain the $K$ vs. $\lambda_{ m max}$ data observed for SNe Ia. Finally, we discover an anti-correlation between $K$ and $R_{ m V}$ which might already be supported by SNe Ia observational data. Our results demonstrate the important effect of rotational disruption of dust grains by radiative torques on the time-dependent extinction, polarization, and colors of SNe Ia.

研究の動機と目的

• SNe Iaで観測された異常に低い全減光比と選択減光比の比（RV < 2）および短い偏光ピーク波長（λmax < 0.4 µm）を説明すること。
• 放射トルク破壊（RATD）が、初期段階のSNe Iaにおける減光および偏光特性の急速な変化を説明できるかどうかを調査すること。
• RATDおよび放射トルク（RATs）によるダスト粒子の配列を考慮した時間依存の減光および偏光曲線のモデル化すること。
• 時間に依存する減光がSNe Iaの光度曲線および色に与える影響を定量化すること。
• RATDによる予測されるSerkowski則のパラメータKとRVの反相関関係が観測データと一致するかを検証すること。

提案手法

• SNe Iaの時間に依存する放射度（式1）を用いてRATDによるダスト粒子の破壊をモデル化し、d < 4 pcの領域では破壊 timescale tdisr < 40日を計算する。
• RATDによる粒径分布の進化を計算し、破壊粒径a_disrが時間とともに~0.2 µmから0.03 µmに減少することを示す。
• 磁場を伴う放射トルク配列（RATs）理論を適用し、配列時間talign < 10日で粒子の配列を計算する。
• 修正された粒径分布を用いて減光曲線を計算し、観測されたSNe Iaの光度測定データにフィットする。
• 理論的偏光曲線をSerkowski則（式A1）にフィットさせ、Kおよびλmaxパラメータを導出する。
• RATDによる時間に依存する減光を組み込むことで、観測されたSNe Iaの光度曲線を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RATDは、SNe Ia爆発後40日以内にRVが3.1から~1.5に急激に低下するのを説明できるか？
• RQ2 RATDが小粒径ダストを増加させることで、SNe Iaで観測された短波長偏光ピーク（λmax < 0.4 µm）が説明できるか？
• RQ3 RATsによるダスト粒子の配列が偏光の波長依存性に与える影響は何か？ また、観測されたKおよびλmaxの値を再現できるか？
• RQ4 RATDにより予測されるSerkowskiパラメータKとRVの反相関関係は、観測データと一致するか？
• RQ5 RATDによる時間に依存する減光は、SNe Iaの観測色および光度曲線にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 4 pc以内のダスト雲では、tdisr < 40日でRVが3.1から~1.5に低下する。
• talign < 10日で、RATDによって生成された小粒径ダストの配列が強化され、λmaxが~0.55 µmから~0.15 µmに低下する。
• 粒径破壊に伴いSerkowski則のパラメータKが著しく増加し、SNe Iaで観測されたKとλmaxの傾向を説明できる。
• RATDモデルはKとRVの反相関関係を予測しており、既存の観測データと整合的である。
• RATDおよびRAT配列を組み込むことで、理論的減光および偏光曲線が観測されたSNe Iaデータと一致する。
• RATDによる時間に依存する減光は、SNe Ia光度曲線における顕著な色の変化を引き起こし、宇宙論的距離測定に影響を及ぼす。