[论文解读] Near-Earth supernova activity during the past 35 Myr

Mads Sølvsten Sørensen, Henrik Svensmark+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2017

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究通过模拟395个疏散星团（OCs）的轨道演化与恒星演化，重建了过去3500万年近地超新星（SN）活动的历史，识别出ASCC 19、NGC 1981和NGC 1976为1700万至1200万年前在太阳200 pc范围内可能爆发了一颗或多颗超新星的来源。研究发现，约1000万年前超新星爆发率达到峰值，比当前水平高出40%，并表明双星演化可能更佳地解释280万至220万年前检测到的60Fe同位素信号。

ABSTRACT

Here we combine observations of open clusters (OCs) with single- and binary population synthesis models and a Galactic potential to reconstruct the SN activity of these OCs during the past 35 Myr. We find that several OCs potentially hosting SN progenitors have passed within 100 pc of the Sun during the past 35 Myr. In particular we find that ASCC 19, NGC 1981, and NGC 1976 are likely to have hosted one or more SNe while passing within 200 pc of the solar system in the period 17 - 12 Myr BP which might have affected Earths' geology and climate. Besides the stellar history of the individual OCs we also compute 1) a spatial and temporal 2D-probability density map showing the most likely position and time of SN from our sample of OCs within 1 kpc during the past 35 Myr, 2) the time series of the SN rate per volume and 3) the relative SN rate compared with today and corrected for OC evaporation of older generations. The SN rate today from core collapse is estimated to be 37.8$\pm$6.1$ m kpc^{-3} Myr^{-1}$. During the past 35 Myr we find a peak SN rate around 10 Myr before present (BP) where the rate was 40% higher relative to the past 1 Myr. Finally we discuss possible effects of binary stellar evolution in relation to the history of SN production in the solar neighbourhood and the detected $ m ^{60}Fe$ signal in terrestrial geological samples induced between $\sim$2.2 - 2.8Myr BP.

研究动机与目标

• 重建过去3500万年太阳周围1千秒差距内核心坍缩超新星（SNe）的时空演化历史。
• 识别在此期间曾位于太阳100–200 pc范围内且可能孕育超新星前身星的疏散星团（OCs）。
• 评估双星恒星演化在解释约280万至220万年前在地球样品中检测到的60Fe同位素信号中的作用。
• 生成超新星发生事件的二维概率密度图，并对疏散星团蒸发及局部聚集效应进行校正后量化超新星速率。
• 评估模拟得到的超新星速率与地质同位素记录（特别是14C和10Be异常）的一致性。

提出的方法

• 结合395个疏散星团（OCs）的观测数据，利用单星与双星群体合成模型，模拟恒星演化及超新星前身星的形成过程。
• 基于银河系势场模型，追踪每个OC在最近3500万年中相对于太阳的三维轨道运动。
• 在单星演化框架下校准超新星前身星质量阈值（8–9 M⊙）与寿命（约4000万年），同时引入双星效应（如质量转移与合并）。
• 生成过去3500万年在1千秒差距范围内超新星发生事件的时空二维概率密度图（PDF），以可视化聚集现象与局部增强。
• 计算经疏散星团蒸发校正后的单位体积超新星速率（kpc⁻³Myr⁻¹），并将历史速率与当前速率37.8 ± 6.1 kpc⁻³Myr⁻¹进行比较。
• 利用大气散裂代理与距离约束，评估模拟的超新星速率与14C、10Be及60Fe同位素地质记录的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在过去3500万年中，哪些疏散星团曾进入太阳200 pc范围内，并可能孕育核心坍缩超新星前身星？
• RQ2 过去3500万年中近地超新星的时空分布如何？其分布是否呈现聚集而非均匀分布？
• RQ3 在考虑双星恒星演化时，超新星前身星年龄与约280万至220万年前检测到的60Fe同位素信号之间的一致性如何变化？
• RQ4 太阳邻近区域的历史超新星速率（经疏散星团蒸发与局部聚集效应校正后）是多少？与当前速率相比如何？
• RQ5 若考虑双星演化，能否将观测到的60Fe信号与罗赫-辛克-欧星协会（Sco-Cen OB）的年龄相一致？

主要发现

• ASCC 19、NGC 1981与NGC 1976被确定为1700万至1200万年前在太阳200 pc范围内可能爆发一颗或多颗超新星的最可能疏散星团。
• 超新星爆发率在约1000万年前达到峰值，比当前水平高出40%，当前速率为37.8 ± 6.1 kpc⁻³Myr⁻¹。
• 二维时空概率密度图显示超新星分布具有结构化、非均匀特征，表明其与诞生星团存在关联。
• 双星演化效应（如质量转移与洛希瓣溢出）被证明对将60Fe信号与罗赫-辛克-欧星协会的年龄相协调至关重要。
• 为解释过去30万年14C与10Be异常而需的模拟超新星速率约677 kpc⁻³Myr⁻¹，与观测到的伽马射线背景及超新星频率不一致，提示异常可能源于太阳活动等其他来源。
• 本研究强调，双星演化可将核心坍缩超新星的延迟时间延长至4000万年以上，从而更精确地与60Fe信号及附近星协的实际年龄对齐。