[论文解读] Oxygen issue in Core Collapse Supernovae

A. Elmhamdi|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本研究分析了26例核心坍缩超新星（CCSNe）的星云态[O I] 6300,6364 Å发射线，以推断氧质量与光学厚度演化。通过线 luminosity 和通量比，推导出氧与56Ni质量，揭示了两类截然不同的群体——II型与Ib-c型超新星——其区分依据为[O/Fe]比值与喷出物质量，对原恒星质量与星系化学富集具有重要意义。

ABSTRACT

We study the spectroscopic properties of a selected sample of 26 events within Core Collapse Supernovae (CCSNe) family. Special attention is paid to the nebular oxygen forbidden line [O I] 6300,6364Å doublet. We analyze the line flux ratio "$F_{6300}/F_{6364}$", and infer information about the optical depth evolution, densities, volume-filling factors in the oxygen emitting zones. The line luminosity is measured for the sample events and its evolution is discussed on the basis of the bolometric light curve properties in type II and in type Ib-c SNe. The luminosities are then translated into oxygen abundances using two different methods. The resulting oxygen amounts are combined with the recovered $^{56}$Ni masses and compared with theoretical models by means of the "$[O/Fe] .vs. M_{ms}$" diagram. Two distinguishable and continuous populations, corresponding to Ib-c and type II SNe, are found. The higher mass nature of the ejecta in type II objects is also imprinted on the [Ca II] 7291,7324Å over [O I] 6300,6364Å luminosity ratios. Our results may be used as input parameters for theoretical models studying the chemical enrichment of galaxies.

研究动机与目标

• 量化26例核心坍缩超新星（CCSNe）在晚期阶段的星云态[O I] 6300,6364 Å线 luminosity 与通量比 F6300/F6364。
• 基于星云线 luminosity 与光学厚度约束，使用两种独立方法估算氧质量。
• 结合从光度曲线推导出的56Ni质量，评估[O/Fe]与原恒星质量的关系。
• 通过[Ca II]/[O I]等 luminosity 比值，研究II型与Ib-c型超新星在喷出物质量与成分上的差异。
• 为星系化学演化模型提供理论CCSNe输出的观测约束。

提出的方法

• 从SUSPECT与CfA档案库获取的26例CCSNe晚期星云谱中测量[O I] 6300,6364 Å线 luminosity。
• 计算通量比 F6300/F6364，假设为B型再结合，以推断氧发射区的光学厚度与密度结构。
• 应用两种方法估算氧质量：一种基于 luminosity 与填充因子，另一种基于光学厚度与电子密度。
• 利用光度曲线推导56Ni质量，通过56Co衰变斜率估算，假设放射性衰变能量输入。
• 计算[Ca II] 7291,7324 Å / [O I] 6300,6364 Å通量比，作为喷出物质量与原恒星核心质量的代理指标。
• 利用理论模型（Woosley & Weaver 1995, Thielemann et al. 1996, Nomoto et al. 1997）绘制[O/Fe]与初始质量的关系图，与观测产出进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在星云相，[O I] 6300,6364 Å线 luminosity 与 F6300/F6364 通量比在不同CCSNe类型（II、IIb、Ib、Ic）中如何变化？
• RQ2 CCSNe中推断出的氧质量是多少？其与光曲线推导出的56Ni质量有何相关性？
• RQ3 CCSNe中观测到的[O/Fe]比值是否形成连续的双峰分布？若是，这对原恒星质量与爆发物理有何启示？
• RQ4 [Ca II]/[O I] luminosity 比值在不同CCSNe类型中如何变化？其能否作为原恒星核心质量的示踪指标？
• RQ5 观测到的氧与铁产出在原恒星质量范围内，与理论CCSNe模型的匹配程度如何？

主要发现

• [O I] 6300,6364 Å线 luminosity 与 F6300/F6364 通量比在II型与Ib-c型超新星之间表现出系统性差异，表明氧区密度与光学厚度不同。
• 基于星云线 luminosity 推导出的氧质量范围约为0.3至6 M☉，其中Ic型超新星（如SN 1998bw）的值最高（5–6 M☉），表明喷出物质量大且稀释程度低。
• [Ca II]/[O I] luminosity 比值在II型超新星中显著高于Ib-c型超新星，表明II型事件的喷出物质量更大，与原恒星质量更高一致。
• 在[O/Fe]与Mms图中，两类截然不同且连续的群体浮现：II型超新星表现出更高的[O/Fe]与更低质量，而Ib-c型超新星则表现出更低的[O/Fe]与更高质量，与理论模型一致。
• 推导出的氧质量与56Ni质量与Woosley & Weaver (1995)、Thielemann et al. (1996) 与 Nomoto et al. (1997) 的理论产出良好吻合，支持其在星系化学演化模型中的应用。
• 本研究证实氧是早期星系化学富集的关键示踪元素，[O/Fe] > 0 的晕星表明大质量恒星贡献占主导地位，与观测到的CCSNe产出一致。