[논문 리뷰] VRO 42.05.01: A supernova remnant resulted by a supersonic, mass losing progenitor star

A. Chiotellis, P. Boumis외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 19.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 은하수 초신성 잔여물 VRO 42.05.01의 특이한 형태가 초음속으로 움직이면서 질량을 잃는 원형성 항성의 비대칭성 있는 항성 바람이 등반된 평면에서 집중된 결과임을 제안한다. AMRVAC 코드를 사용한 2차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 저자들은 원형성 항성의 운동과 비대칭 바람 형성에 의해 만들어진 바람 기포가 초신성 잔여물의 뚜렷한 이두엽형 껍질과 삼각형 날개 형태를 형성함을 보여주며, 비균일한 주변 매질이 필요 없이 관측된 형태와 일치함을 확인한다.

ABSTRACT

We present a model for the Galactic supernova remnant (SNR) VRO 42.05.01, suggesting that its intriguing morphology can be explained by a progenitor model of a supersonically moving, mass losing star. The mass outflows of the progenitor star were in the form of an asymmetric stellar wind focused on the equatorial plane of the star. The systemic motion of the parent star in combination with its asymmetric outflows excavated an extended wind bubble that revealed a similar structure to this of VRO 42.05.01. Currently the SNR is interacting with the wind bubble and it is dominantly shaped by it. Employing 2D hydrodynamic simulations we model VRO 42.05.01 under the framework of this model and we reproduce its overall morphological properties. We discuss the variations of our progenitor model in light of the current observational uncertainties.

연구 동기 및 목표

• 비균일한 주변 매질을 도입하지 않고도 VRO 42.05.01의 특이한 형태, 즉 반원형 껍질과 큰 버위형 날개를 설명하기 위해.
• 초음속으로 움직이며 질량을 잃는 원형성 항성의 비대칭성 있는 항성 바람이 관측된 초신성 잔여물의 구조를 자연스럽게 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 원형성 항성의 바람 기포 형성과 그 후 초신성 물질과의 상호작용을 유체역학 시뮬레이션을 통해 모델링하기 위해.
• VRO의 거리에 대한 불확실성으로 인해 발생하는 거리-관계적 애매함을 감안할 때, 잔여물의 크기와 형태를 기반으로 원형성 항성의 바람 특성과 운동을 제약하기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이션은 AMRVAC 유체역학 코드를 사용하여 두 단계로 수행되었으며, 첫 번째 단계는 적색 초거성(RSG)에서 바람 기포 형성 모의를, 두 번째 단계는 비대칭 바람을 가진 월프-레인 항성(WR) 원형성 항성에서의 모의를 수행하였다.
• 비대칭 바람은 극각 θ에 따라 의존하는 속도 및 밀도 프로파일을 사용하여 모의되었으며, 바람의 봉인 정도와 극대 대 평면 비율을 제어하는 데 파라미터 α, β, k를 사용하였다.
• 원형성 항성의 초음속 운동은 항성의 속도 방향과 반대 방향으로 등방성이고 균일한 기체 유동을 항성의 정지 프레임에서 도입하여 시뮬레이션하였다 (60 km s⁻¹).
• 초신성 물질은 바람 기포의 중심에 에너지 2×10⁵⁰ erg, 질량 6 M☉로 도입되었으며, 거칠기 지수 n=9의 거칠기 지수 프로파일과 허블 유사 속도 법칙을 사용하였다.
• 주변 간성간 매질은 n_ISM = 0.5 cm⁻³ 및 T_ISM = 1000 K로 설정되었으며, 일반적인 간성간 매질 조건과 일치한다.
• 시뮬레이션은 초신성 폭발 후 57,000년 동안의 초신성 잔여물의 진화를 추적하였으며, 바람 기포의 껍질과 평면 밀도 증가부와의 상호작용을 포착하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비균일한 주변 매질이 필요 없이, 특히 껍질과 날개 성분을 포함한 VRO 42.05.01의 형태는 초음속으로 질량을 잃는 원형성 항성에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 VRO의 크기와 형태와 일치하는 바람 기포를 형성하기 위해 필요한 바람 특성(속도, 질량 손실률, 비대칭성)은 무엇인가?
• RQ3 원형성 항성의 초음속 운동이 초신성 잔여물의 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 등반 평면에 집중된 비대칭 항성 바람이 초신성 잔여물을 이두엽형으로 형성하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 원형성 항성의 거리와 바람 파라미터의 변화가 관측된 초신성 잔여물 형태를 재현하는 데 모델의 능력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2차원 유체역학 시뮬레이션은 초음속으로 비대칭성을 띠는 원형성 항성이 형성한 바람 기포와 초신성 물질의 상호작용을 모의하여 VRO 42.05.01의 관측된 이두엽형 껍질과 삼각형 날개 형태를 성공적으로 재현하였다.
• 바람 기포는 원형성 항성의 초음속 운동(60 km s⁻¹)과 비대칭 바람이 결합되어 형성되었으며, 이는 초신성 잔여물의 두 성분과 유사한 구조를 만들어 냈다.
• 초신성 잔여물의 초기 이두엽형 형태는 비대칭 바람으로 인해 평면에서 밀도가 증가함에 따라 발생하였으며, G 65.3+5.7와 같은 성숙한 초신성 잔여물과 일치한다.
• 초신성 잔여물은 폭발 후 약 6,000년 경에 바람 기포의 정지점과 껍질에 처음으로 충돌하면서 상당한 감속을 시작한다.
• 폭발 후 57,000년이 경과한 시점에는 초신성 잔여물이 이미 원형성 항성의 순환 구조와 완전히 상호작용하였으며, 그 형태는 주로 사전 존재하던 바람 기포에 의해 지배된다.
• 모델은 필요한 바람 기계적 빛도(~10³⁸ erg s⁻¹)를 고려할 때 원형성 항성이 월프-레인 항성일 가능성이 가장 높지만, 거리에 따른 딜레마로 인해 정확한 성격은 여전히 불확실하다.