[论文解读] Evolution of 3-9 Mo Stars for Z=0.001 - 0.03 and Metallicity Effects on Type Ia Supernovae

Hideyuki Umeda, K. Nomoto+2 more|ArXiv.org|Jun 25, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 89

一句话总结

本研究针对 Z = 0.001–0.03 范围内 3–9 M⊙ 恒星的碳氧（C/O）比和核心质量的金属丰度与质量依赖性进行了研究，结果表明，C-O 类白矮星前体的总碳质量分数在 0.36 至 0.5 之间变化，这可能解释了观测到的 Ia 型超新星亮度和光曲线的变化。结果揭示，较低的金属丰度会降低 Ia 型超新星前体的上界质量，若忽略金属丰度效应，则可能低估前体星的生成率。

ABSTRACT

Recent observations have revealed that Type Ia supernovae (SNe Ia) are not perfect standard candles but show some variations in their absolute magnitudes, light curve shapes, and spectra. The C/O ratio in the SNe Ia progenitors (C-O white dwarfs) may be related to this variation. In this work, we systematically investigate the effects of stellar mass (M) and metallicity (Z) on the C/O ratio and its distribution in the C-O white dwarfs by calculating stellar evolution from the main-sequence through the end of the second dredge-up for M=3-9 Mo and Z=0.001-0.03. We find that the total carbon mass fraction just before SN Ia explosion varies in the range 0.36 -- 0.5. We also calculate the metallicity dependence of the main-sequence-mass range of the SN Ia progenitor white dwarfs. Our results show that the maximum main-sequence mass to form C-O white dwarfs decreases significantly toward lower metallicity, and the number of SN Ia progenitors may be underestimated if metallicity effectis neglected. We discuss the implications of these results on the variation of SNe Ia, determination of cosmological parameters, luminosity function of white dwarfs, and the galactic chemical evolution.

研究动机与目标

• 理解恒星金属丰度（Z）和初始质量（M）如何影响由 3–9 M⊙ 恒星形成的 C-O 白矮星的 C/O 比和核心质量。
• 量化 Ia 型超新星前体的零龄主序（ZAMS）质量范围的金属丰度依赖性，特别是上下限（M_UP 和 M_LO）。
• 评估 C/O 比变化对 Ia 型超新星爆发能量、光曲线形状及观测亮度变化的影响。
• 通过引入依赖于金属丰度的前体质量范围，改进星系化学演化和白矮星光度函数的模型。

提出的方法

• 利用更新的输入物理参数（包括 OPAL opacity 和校准的 12C(α,γ)16O 反应速率），对 Z = 0.001–0.03 范围内 3–9 M⊙ 恒星，从主序演化至第二次混合过程的恒星演化模型进行了计算。
• 在整个恒星内部追踪 C/O 比和碳质量分数，特别关注 C-O 白矮星的中心和核心区域。
• 通过计算第二次混合过程结束时的 C-O 核心质量（M_CO），确定 Ia 型超新星前体的质量范围。
• 从演化轨迹中推导出 Ia 型超新星前体 ZAMS 质量极限（M_LO 和 M_UP）的金属丰度依赖性。
• 将结果与以往模型（如 SSMM）进行比较，评估改进的物理参数、对流处理和核反应处理带来的差异。
• 分析 C/O 比与 M_CO 的依赖关系，以检验当以核心质量归一化时，金属丰度效应是否被最小化。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属丰度（Z）如何影响由 3–9 M⊙ 恒星形成的 C-O 白矮星前体中 C/O 比的分布？
• RQ2 产生可成为 Ia 型超新星前体的 C-O 白矮星的 ZAMS 质量范围（M_LO 至 M_UP）的金属丰度依赖性如何？
• RQ3 白矮星中总碳质量分数（M(^12C)/M_Ia）如何随初始质量和金属丰度变化，其范围是多少？
• RQ4 C/O 比的变化在多大程度上影响 Ia 型超新星的爆发能量、光曲线形状和观测亮度？
• RQ5 当以核心质量（M_CO）为函数表达时，C/O 比和碳质量分数的金属丰度依赖性是否会减弱？
• RQ6 金属丰度效应如何影响 Ia 型超新星事件预测率和白矮星光度函数？

主要发现

• Ia 型超新星前体白矮星中的总碳质量分数（M(^12C)/M_Ia）在 0.36 至 0.5 之间变化，具体取决于初始质量和金属丰度，这可能解释了 Ia 型超新星中观测到的亮度和光谱变化。
• C-O 白矮星中心的 C/O 比通常为富氧型（C/O ≤ 0.6），其峰值随金属丰度升高而增大，且在较低初始质量（M_ms ~5 M⊙）处达到，与以往模型（M_ms ~7 M⊙）相比有所降低。
• Ia 型超新星前体的上界质量极限（M_UP）随金属丰度降低而显著减小，表明若忽略金属丰度效应，则在低金属丰度环境中会低估前体星的生成率。
• 当以核心质量（M_CO）为横坐标绘制时，C/O 比和碳质量分数的离散度减小，表明 M_CO 是表征前体星性质时比 ZAMS 质量更稳健的参数。
• 对于 Z ≤ 0.002 的情况，由于恒星风微弱，白矮星不太可能演化为 Ia 型超新星，因此这类低金属丰度系统可从 Ia 型超新星前体模型中排除。
• 当以 M_CO 归一化后，在 0.001 ≤ Z ≤ 0.02 范围内，C/O 比和碳质量分数的变化对金属丰度的敏感性较低，表明在不同红移下，演化效应对 Ia 型超新星性质的影响较小。