[论文解读] Dust in Supernovae; Formation and Evolution

Takashi Kozasa, Takaya Nozawa+4 more|ArXiv.org|Mar 2, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文研究了大质量恒星核心坍缩超新星中尘埃的形成与演化，重点关注II–P型和IIb型超新星。研究发现，尽管II–P型超新星中形成的尘埃质量相似（约0.3–0.7 M☉），IIb型超新星中为约0.13 M☉，但由于喷流密度不同，尘埃粒径分布存在显著差异，导致IIb型超新星遗迹中尘埃几乎完全被破坏，而II–P型超新星遗迹中则有约0.04–0.2 M☉的尘埃得以幸存。该模型成功再现了仙后座A的观测Sed，支持其为IIb型起源，并暗示其原始尘埃形成量高于以往观测结果。

ABSTRACT

Core--collapsed supernovae (CCSNe) have been considered to be one of sources of dust in the universe. What kind and how much mass of dust are formed in the ejecta and are injected into the interstellar medium (ISM) depend on the type of CCSNe, through the difference in the thickness (mass) of outer envelope. In this review, after summarizing the existing results of observations on dust formation in CCSNe, we investigate formation of dust in the ejecta and its evolution in the supernova remnants (SNRs) of Type II--P and Type IIb SNe. Then, the time evolution of thermal emission from dust in the SNR of Type IIb SN is demonstrated and compared with the observation of Cas A. We find that the total dust mass formed in the ejecta does not so much depend on the type; $\sim 0.3-0.7 M_{\odot}$ in Type II--P SNe and $\sim 0.13 M_{\odot}$ in Type IIb SN. However the size of dust sensitively depends on the type, being affected by the difference in the gas density in the ejecta: the dust mass is dominated by grains with radii larger than 0.03 $μ$m in Type II-P, and less than 0.006 $μ$m in Type IIb, which decides the fate of dust in the SNR. The surviving dust mass is $\sim 0.04-0.2 M_{\odot}$ in the SNRs of Type II--P SNe for the ambient hydrogen density of $n_{ m H}=10.0-1.0$ cm$^{-3}$, while almost all dust grains are destroyed in the SNR of Type IIb. The spectral energy distribution (SED) of thermal emission from dust in SNR well reflects the evolution of dust grains in SNR through erosion by sputtering and stochastic heating. The observed SED of Cas A SNR is reasonably reproduced by the model of dust formation and evolution for Type IIb SN.

研究动机与目标

• 阐明尘埃在核心坍缩超新星（CCSNe）中的形成与存活如何依赖于超新星类型，特别是外层氢包层质量的差异。
• 解决观测到的CCSNe中尘埃质量偏低与理论预测的更高形成速率之间的矛盾。
• 通过尘埃粒径和成分作为关键诊断工具，模拟超新星遗迹（SNRs）中尘埃热辐射的时间演化。
• 检验通过详细尘埃演化建模，是否能用IIb型超新星起源解释仙后座A的观测Sed。

提出的方法

• 利用氦核心中的气体密度、温度和元素丰度等物理条件，对II–P型和IIb型超新星喷流中的尘埃形成进行建模。
• 通过成核与凝聚计算尘埃颗粒的生长，粒径分布由局部气体密度和膨胀速度决定。
• 通过追踪颗粒因溅射导致的侵蚀，模拟超新星遗迹中的尘埃演化，其依赖于激波速度和周围氢密度（nH）。
• 计算时间依赖的尘埃热辐射谱能量分布（SED），考虑随机加热和颗粒成分的影响。
• 将模型SED与斯皮兹勒望远镜对仙后座A在爆发后800年的观测数据进行比较，以真实数据验证模型。
• 通过辐射转移计算估算尘埃质量与成分，考虑粒径分布与消光系数的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 II–P型和IIb型超新星中，尘埃质量与粒径分布如何依赖于外层氢包层的厚度？
• RQ2 为何IIb型超新星遗迹中的尘埃几乎完全被破坏，而II–P型超新星遗迹中却有大量尘埃幸存？
• RQ3 在已知尘埃质量和成分的前提下，能否通过IIb型超新星遗迹的尘埃演化模型再现仙后座A遗迹的观测Sed？
• RQ4 基于仙后座A遗迹中尘埃的幸存情况与Sed拟合，推断其喷流中形成的尘埃质量是多少？
• RQ5 为何观测到的形成尘埃的超新星没有显示硅酸盐特征，而模型却预测存在显著的Mg-硅酸盐和SiO₂质量？

主要发现

• 在喷流中形成的总尘埃质量对超新星类型不甚敏感，II–P型超新星中形成约0.3–0.7 M☉，IIb型超新星中形成约0.13 M☉。
• 尘埃颗粒大小强烈依赖于包层质量：IIb型超新星中颗粒更小（半径 < 0.006 μm），而II–P型超新星中颗粒更大（半径 > 0.03 μm）。
• 由于颗粒尺寸小，IIb型超新星中的尘埃颗粒在遗迹中因溅射而迅速被破坏，导致几乎完全消失，仅约0.04–0.2 M☉幸存。
• 当周围氢密度为nH = 10.0 cm⁻³时，IIb型超新星遗迹在爆发后800年的模型Sed与仙后座A的观测Sed最佳匹配。
• 模型中主要尘埃种类为MgSiO₃（1.72×10⁻² M☉）、SiO₂（1.08×10⁻² M☉）和MgSiO₄（6.46×10⁻³ M☉），遗迹中总尘埃质量约0.04 M☉。
• 该模型表明，仙后座A喷流中形成的尘埃质量不低于1.0×10⁻³ M☉，挑战了以往观测估计的<10⁻³ M☉。