[论文解读] Metallicity-dependent nucleosynthetic yields of Type Ia supernovae originating from double detonations of sub-M$_{ ext{Ch}}$ white dwarfs

Sabrina Gronow, Benoît Côté+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过在亚钱德拉塞卡尔质量碳氧白矮星上发生双引爆的Ia型超新星，调查了金属丰度依赖的核合成产额。利用44个在0.01–3 Z⊙金属丰度范围内的流体动力学模型，发现较高金属丰度通过22Ne增加中子过剩，从而增强54Fe、58Ni以及特别是55Mn的生成，其产额在Z⊙时与太阳[ Mn/Fe]一致，在3 Z⊙时达到超太阳值，表明亚MCh Ia前身星可解释超过80%的太阳Mn丰度。

ABSTRACT

Double detonations in sub-Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs with helium shell are a potential explosion mechanism for a Type Ia supernova (SNe Ia). It comprises a shell detonation and subsequent core detonation. The focus of our study is on the effect of the progenitor metallicity on the nucleosynthetic yields. For this, we compute and analyse a set of eleven different models with varying core and shell masses at four different metallicities each. This results in a total of 44 models at metallicities between 0.01$Z_\odot$ and 3$Z_\odot$. Our models show a strong impact of the metallicity in the high density regime. The presence of $^{22}$Ne causes a neutron-excess which shifts the production from $^{56}$Ni to stable isotopes such as $^{54}$Fe and $^{58}$Ni in the $α$-rich freeze-out regime. The isotopes of the metallicity implementation further serve as seed nuclei for additional reactions in the shell detonation. Most significantly, the production of $^{55}$Mn increases with metallicity confirming the results of previous work. A comparison of elemental ratios relative to iron shows a relatively good match to solar values for some models. Super-solar values are reached for Mn at 3$Z_\odot$ and solar values in some models at $Z_\odot$. This indicates that the required contribution of SNe Ia originating from Chandrasekhar mass WDs can be lower than estimated in orevious work to reach solar values of [Mn/Fe] at [Fe/H]$=0$. Our galactic chemical evolution models suggest that SNe Ia from sub-Chandrasekhar mass white dwarfs, along with core-collapse supernovae, could account for more than 80% of the solar Mn abundance. Using metallicity-dependent SN Ia yields helps to reproduce the upward trend of [Mn/Fe] as a function of metallicity for the solar neighborhood. These chemical evolution predictions, however, depend on the massive star yields adopted in the calculations.

研究动机与目标

• 调查前身星金属丰度如何影响亚钱德拉塞卡尔质量白矮星中双引爆Ia型超新星的核合成产额。
• 确定金属丰度对铁峰核素及富中子核素（特别是55Mn）生成的影响。
• 评估亚MCh Ia前身星的金属丰度依赖产额是否能再现观测到的太阳[ Mn/Fe]比值及其随金属丰度上升的趋势。
• 评估亚MCh Ia型超新星在银河系化学演化中的贡献，特别是对锰的贡献。

提出的方法

• 模拟了44个亚钱德拉塞卡尔质量白矮星中双引爆爆炸的流体动力学模型，其核心与包层质量在四种金属丰度（0.01 Z⊙、0.1 Z⊙、1 Z⊙和3 Z⊙）下变化。
• 通过详细的核反应网络追踪核合成产额，包括α-丰富冻结阶段的α捕获和冻结过程。
• 计算了从金属丰度范围内的放射性与稳定同位素（包括56Ni、55Mn、54Fe、58Ni和60Fe）的产额。
• 使用金属丰度依赖的种子核素，模拟初始中子过剩对爆炸阶段同位素生成的影响。
• 开展银河系化学演化建模，评估亚MCh Ia型超新星对太阳Mn和Fe丰度的贡献。
• 将模型预测与太阳系同位素丰度及太阳邻近区域观测到的[ Mn/Fe]趋势进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 前身星金属丰度如何影响双引爆亚钱德拉塞卡尔质量Ia型超新星中关键同位素（如55Mn、56Ni、54Fe和58Ni）的核合成产额？
• RQ2 亚MCh Ia型超新星的金属丰度依赖产额在多大程度上能再现观测到的太阳[ Mn/Fe]比值及其随金属丰度上升的趋势？
• RQ3 亚MCh Ia型超新星可贡献多少比例的太阳锰丰度？与钱德拉塞卡尔质量Ia前身星的贡献相比如何？
• RQ4 在较高金属丰度下，22Ne的存在如何影响α-丰富冻结阶段的电子分数和中子过剩？
• RQ5 当与核心坍缩超新星结合时，亚MCh Ia型超新星的金属丰度依赖产额是否足以单独解释超过80%的太阳Mn丰度？

主要发现

• 较高金属丰度通过22Ne增加白矮星中的中子过剩，使α-丰富冻结阶段的核合成从56Ni向54Fe和58Ni等稳定同位素转移。
• 55Mn的生成量随金属丰度显著增加，在3 Z⊙时达到超太阳[ Mn/Fe]比值，而在部分模型中于1 Z⊙时与太阳值一致。
• 在银河系化学演化模型中，亚钱德拉塞卡尔质量Ia型超新星与核心坍缩超新星结合，可解释超过80%的太阳锰丰度。
• 模型再现了太阳邻近区域[ Mn/Fe]随金属丰度上升的观测趋势，支持金属丰度依赖产额的作用。
• 在3 Z⊙时，模型产额产生的[ Mn/Fe]比值超过太阳值，表明为达到太阳金属丰度下的太阳[ Mn/Fe]，钱德拉塞卡尔质量Ia型超新星的贡献可能低于先前估计。
• 核合成产额在高密度区域对金属丰度表现出强烈敏感性，金属丰度实现的种子核素显著影响壳层爆炸阶段的同位素生成。