[论文解读] Light Curves of Core-Collapse Supernovae with Substantial Mass Loss using the New Open-Source SuperNova Explosion Code (SNEC)

Viktoriya Morozova, Anthony L. Piro+6 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用 3

一句话总结

该论文介绍了SNEC，一个用于模拟核心坍缩超新星光曲线的开源一维拉格朗日流体动力学与平衡扩散辐射传输代码。结果表明，对于初始质量为$15\thinspace M_\text{Sun}$且经历显著质量损失的前身星，只有当剩余的富氢物质质量$\gtrsim 1.5-2\thinspace M_\text{Sun}$时，才会产生持续20–100天的平台期，这表明低质量前身星的质量损失可能以‘全有或全无’的方式发生，暗示双星相互作用在塑造Ib/c型超新星中的作用。

ABSTRACT

We present the SuperNova Explosion Code (SNEC), an open-source Lagrangian code for the hydrodynamics and equilibrium-diffusion radiation transport in the expanding envelopes of supernovae. Given a model of a progenitor star, an explosion energy, and an amount and distribution of radioactive nickel, SNEC generates the bolometric light curve, as well as the light curves in different broad bands assuming black body emission. As a first application of SNEC, we consider the explosions of a grid of 15 Msun (at zero-age main sequence) stars whose hydrogen envelopes are stripped to different extents and at different points in their evolution. The resulting light curves exhibit plateaus with durations of ~20-100 days if >~1.5-2 Msun of hydrogen-rich material is left and no plateau if less hydrogen-rich material is left. If these shorter plateau lengths are not seen for Type IIP supernovae in nature, it suggests that, at least for zero-age main sequence masses

研究动机与目标

• 开发一个开源、易用的工具，用于模拟包含真实物理过程的超新星光曲线，实现可重复且系统化的建模。
• 研究$15\thinspace M_\text{Sun}$前身星中氢包层质量损失的程度与时间变化如何影响最终光曲线的形态。
• 检验渐进式质量损失是否能解释IIL型超新星观测到的多样性，特别是其早期亮度与平台期行为。
• 探索IIb型超新星中双峰光曲线的物理起源，及其与前身星半径和剩余氢质量的关系。
• 评估简单质量损失模型在重现观测到的IIL与IIP型超新星光曲线方面的局限性，提示需引入其他机制（如延伸或结构化的星周物质）

提出的方法

• SNEC采用拉格朗日流体动力学方法，模拟给定前身星模型的爆炸与喷射物膨胀过程。
• 采用平衡扩散辐射传输方法，计算喷射物中辐射能量的时变沉积与逃逸。
• 代码包含$^{56}\mathrm{Ni}$衰变的能量沉积、电离结构以及灰度表（包括OPAL和低温数据），以实现精确的辐射传输计算。
• 光曲线在准黑体辐射假设下，于总波段和宽波段滤光下计算，基于光球层的辐射。
• 对一组$15\thinspace M_\text{Sun}$前身星进行模拟，其氢包层质量与剥离时间各不相同，以研究光曲线特征对前身星结构的依赖性。
• 通过与已知结果（如SN 1999em）对比，并与现有模型进行验证，确保代码的一致性与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 IIP型超新星光曲线中平台期的持续时间如何依赖于前身星包层中剩余氢的质量？
• RQ2 在$15\thinspace M_\text{Sun}$前身星中，渐进式质量损失是否能再现IIL型超新星光曲线的观测形态？
• RQ3 何种物理条件会导致IIb型超新星出现双峰光曲线？其与前身星半径和氢质量有何关联？
• RQ4 若在观测中未发现IIP型超新星存在短平台期，是否意味着对于$\lesssim 20\,M_\text{Sun}$的前身星，氢质量损失以双星驱动的‘全有或全无’方式发生？
• RQ5 仅通过前身星结构的差异，能在多大程度上解释IIL型超新星的多样性？是否还需要引入额外物理机制（如星周物质相互作用）？”

主要发现

• 只有当前身星中剩余的富氢物质质量$\gtrsim 1.5-2\,M_\odot$时，才会产生持续约20–100天的光曲线平台期。
• 若在自然界中未观测到IIP型超新星存在此类平台期，则表明对于$\lesssim 20\,M_\text{Sun}$的前身星，氢质量损失可能以不连续的‘全有或全无’方式发生。
• 氢质量少于$1.5-2\,M_\odot$的模型不显示平台期，与Ib/c型超新星的行为一致。
• 网格中剥离最彻底的模型表现出双峰光曲线，证实此类特征可自然地由氢质量小且半径$\sim 500\,R_\odot$的前身星产生。
• 仅通过$15\,M_\text{Sun}$模型的质量损失变化，无法重现IIL型超新星的观测亮度，因为这些模型无法产生所需的早期高亮度。
• 结果表明，IIL型超新星可能无法仅由渐进式质量损失解释，而更可能涉及延伸或结构化的星周物质，这与某些情况中观测到的窄线发射特征相吻合。