[论文解读] Normal type Ia supernovae from disruptions of hybrid He-CO white-dwarfs by CO white-dwarfs

Hagai B. Perets, Yossef Zenati+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 62被引用 20

一句话总结

本文提出，碳氧（CO）白矮星与混合氦-碳氧（He-CO）白矮星的并合可产生正常的Ia型超新星。富含氦的图层首先发生爆燃，压缩CO核心至密度超过10⁷ g cm⁻³，触发第二次爆燃，产生与观测到的峰值光度（M_B ≈ −18.4至−19.2）一致的⁵⁶Ni产量，从而解释了正常Ia型超新星的多样性与发生率。

ABSTRACT

Type Ia supernovae (SNe) are thought to originate from the thermonuclear explosions of carbon-oxygen (CO) white dwarfs (WDs). The proposed progenitors of standard type Ia SNe have been studied for decades and can be, generally, divided into explosions of CO WDs accreting material from stellar non-degenerate companions (single-degenerate; SD models), and those arising from the explosive interaction of two CO WDs (double-degenerate; DD models). However, current models for the progenitors of such SNe fail to reproduce the diverse properties of the observed explosions, nor do they explain the inferred rates and the characteristics of the observed populations of type Ia SNe and their expected progenitors. Here we show that the little-studied mergers of CO-WDs with hybrid Helium-CO (He-CO) WDs can provide for a significant fraction of the normal type Ia SNe. Here we use detailed thermonuclear-hydrodynamical and radiative-transfer models to show that a wide range of mergers of CO WDs with hybrid He-CO WDs can give rise to normal type Ia SNe. We find that such He-enriched mergers give rise to explosions for which the synthetic light-curves and spectra resemble those of observed type Ia SNe, and in particular, they can produce a wide range of peak-luminosities, MB(MR)~ 18.4 to 19.2 (~ 18.5 to 19:45), consistent with those observed for normal type Ia SNe. Moreover, our population synthesis models show that, together with the contribution from mergers of massive double CO-WDs (producing the more luminous SNe), they can potentially reproduce the full range of type Ia SNe, their rate and delay-time distribution.

研究动机与目标

• 为解决长期以来标准单星爆发与双星爆发前身星模型难以充分再现正常Ia型超新星的起源问题。
• 探究此前在Ia型超新星前身星研究中被忽视的混合He-CO白矮星是否可作为正常Ia型超新星的可行前身星。
• 确定此类并合能否再现正常Ia型超新星的观测峰值光度、光变曲线及延迟时间分布。
• 评估来自富含氦层爆燃的激波压缩在使低质量CO核心（低至0.7 M⊙）实现点火方面所起的作用，这些核心原本被认为无法点燃。

提出的方法

• 采用二维轴对称流体动力学模拟，对CO白矮星与混合He-CO白矮星的并合过程进行建模，包含详细的核燃烧与能量沉积过程。
• 利用辐射转移计算，从模拟的爆炸动力学与组分中合成光变曲线与光谱。
• 追踪密度、温度与组分的演化，重点关注富含氦层爆燃后对CO核心的激波压缩过程。
• 基于绝热指数（简并物质γ = 4/3）的激波压缩模型，估算激波前后的密度放大倍数。
• 采用基于Kroupa初始质量函数、均匀质量比、对数均匀轨道分离与热偏心率分布的群体合成模型，估算并合率与延迟时间分布。
• 将合成的光变曲线与光谱与观测到的正常Ia型超新星进行比较，以验证模型与观测的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CO白矮星与混合He-CO白矮星的并合能否产生具有观测峰值光度的正常Ia型超新星？
• RQ2 富含氦层爆燃产生的激波压缩在使低质量CO核心（≤0.7 M⊙）实现点火方面起何作用？
• RQ3 此类并合能否再现观测到的延迟时间分布与正常Ia型超新星的总发生率？
• RQ4 此类并合产生的合成光变曲线与光谱能否匹配观测到的正常Ia型超新星的多样性与特征？

主要发现

• CO白矮星与混合He-CO白矮星的并合产生的合成光变曲线与光谱与观测到的正常Ia型超新星高度一致，峰值绝对星等范围为M_B ≈ −18.4至−19.2。
• 富含氦的图层首先发生爆燃，产生激波，将CO核心压缩至密度超过10⁷ g cm⁻³，从而触发后续爆燃并实现高效的⁵⁶Ni生成。
• 即使CO白矮星质量低至0.7 M⊙，也能被充分压缩至实现爆炸燃烧所必需的高密度条件，挑战了此前关于最小质量阈值的假设。
• 该模型成功再现了从正常到略高光度的多种峰值光度，表明正常Ia型超新星群体可能具有统一的起源。
• 群体合成模型表明，此类并合与大质量CO-CO并合相结合，可再现观测到的正常Ia型超新星总发生率与延迟时间分布。
• 二维模拟表明，通过该机制产生⁵⁶Ni富集爆炸的CO白矮星质量下限约为0.7 M⊙，尽管三维效应可能使该阈值略微提高。