[论文解读] Progenitors of type Ia supernovae and the metallicity distribution of G-type dwarfs

N. Mennekens, D. Vanbeveren+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

本研究结合星系化学演化与双星群体合成模型，检验单简并（SD）和双简并（DD）白矮星系统是否能再现太阳系附近G型主序星的观测金属丰度分布。研究发现，SD与DD两种情形均必不可少，且所有合并的C-O白矮星均需贡献于Ia型超新星，该结果在不同恒星形成历史及双星演化假设下均具鲁棒性。

ABSTRACT

We investigate the contribution to the formation of type Ia supernovae of the single (a white dwarf accreting from a non-degenerate companion) and double (two merging white dwarfs) degenerate scenario, as well as various aspects of the binary evolution process leading to such a progenitor system. We aim to get a better insight into uncertainties and parameter spaces by means of a combined modelization, resulting in a reduction of the number of possible model approaches. This exclusion of parts of the parameter space is, as will be shown, often independent of uncertainties in the modelization. We use the combination of a population synthesis code with detailed binary evolution and a galactic chemical evolution model to predict the metallicity distribution of G-type dwarfs in the solar neighborhood. Because of the very long lifetime of these stars, this distribution is a good indicator of the entire chemical history of a region. By comparing the observed distribution with those predicted by assuming different type Ia supernova progenitors and evolutionary parameters (e.g. concerning mass and angular momentum loss and common envelope evolution), it is possible to constrain the possible combinations of assumptions. We find that in order to reproduce the observed G-dwarf metallicity distribution, it is absolutely necessary to include both the single and double degenerate scenario. The best match is obtained when all merging C-O white dwarfs contribute to the latter. The correspondence is also critically dependent on the assumptions about galaxy and star formation, e.g. the use of the two-infall model vs. a constant star formation rate. However, this does not affect the previous conclusion, which is consistent with the results obtained by investigating type Ia supernova delay time distributions in starburst galaxies.

研究动机与目标

• 确定哪种Ia型超新星前身星情景——单简并或双简并——最能再现太阳系附近G型主序星的观测金属丰度分布。
• 评估不确定的双星演化参数（如质量损失与角动量损失、共转包层演化）对预测金属丰度分布的影响。
• 评估被动演化星系中Ia型超新星的延迟时间分布（DTD）是否支持同时包含两种前身星通道。
• 研究对星系恒星形成历史的假设（如双吸积模型与恒定恒星形成率）如何影响前身星模型与观测的一致性。
• 通过检验其对最终金属丰度分布的影响，约束双星演化中旋转效应与对流核心质量的作用。

提出的方法

• 将群体合成代码与详细的双星演化模型及星系化学演化模型相结合，模拟太阳系附近区域的化学增益历史。
• 以G型主序星的金属丰度分布作为关键观测约束，因为这些恒星保留了其形成时星际介质的化学状态。
• 测试多种前身星情景：单简并（白矮星从非简并伴星吸积物质）与双简并（C-O白矮星合并）。
• 通过改变关键参数（如质量损失、共转包层效率、对流核心质量）来评估其对预测金属丰度分布的影响。
• 将模型预测与观测到的G型主序星金属丰度分布及被动演化星系中的延迟时间分布进行比较。
• 采用双吸积模型与恒定恒星形成率（SFR）情景，以检验结果在不同星系演化假设下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单简并情景是否足以再现太阳系附近G型主序星的观测金属丰度分布？
• RQ2 双简并情景是否为匹配观测到的G型主序星金属丰度分布所必需，且必须有多少比例的C-O白矮星合并事件会以Ia型超新星爆发？
• RQ3 模型预测对双星演化参数（如质量损失与角动量损失）的不确定性有多敏感？
• RQ4 同时包含两种前身星通道是否能改善与被动演化星系中观测延迟时间分布的一致性？
• RQ5 不同的恒星形成历史（如双吸积模型与恒定SFR）如何影响前身星模型与观测约束的一致性？

主要发现

• 为再现太阳系附近G型主序星的观测金属丰度分布，单简并与双简并情景均必不可少。
• 当所有合并的C-O白矮星均贡献于双简并通道时，模型与观测的匹配度最佳，表明爆炸效率极高。
• 结果在不同恒星形成历史（包括双吸积模型与恒定恒星形成率）下均具鲁棒性，表明结论不依赖于这些假设。
• 模型表明，大多数双简并前身星经历稳定、准保守的洛希瓣溢出，随后进入共转包层阶段。
• 金属丰度分布对双星与星系演化过程的强烈依赖性，为进一步约束群体合成模型中的不确定参数提供了途径。
• 为解释旋转效应，需采用稍大的对流核心质量，这能改善与观测星系数据的一致性。