[论文解读] Supernova Type Ia progenitors from merging double white dwarfs: Using a new population synthesis model

Silvia Toonen, G. Nelemans+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 100被引用 126

一句话总结

本研究利用SeBa中的更新版双星群体合成模型，研究了由合并双白矮星（DWDs）形成的Ia型超新星（SNIa）前身星。结果表明，尽管延迟时间分布（DTD）的形状与观测结果相符，但无论采用α形式化还是γ形式化来模拟共同包层演化，预测的SNIa速率均比观测值低7–12倍，表明仅靠双致密星通道无法充分解释观测到的SNIa速率，存在显著不足。

ABSTRACT

The study of Type Ia supernovae (SNIa) has lead to greatly improved insights into many fields in astrophysics, however a theoretical explanation of the origin of these events is still lacking. We investigate the potential contribution to the SNIa rate from the population of merging double carbon-oxygen white dwarfs. We aim to develope a model that fits the observed SNIa progenitors as well as the observed close double white dwarf population. We differentiate between two scenarios for the common envelope (CE) evolution; the alpha-formalism based on the energy equation and the gamma-formalism that is based on the angular momentum equation. In one model we apply the alpha-formalism always. In the second model the gamma-formalism is applied, unless the binary contains a compact object or the CE is triggered by a tidal instability for which the alpha-formalism is used. The binary population synthesis code SeBa was used to evolve binary systems from the zero-age main sequence to the formation of double white dwarfs and subsequent mergers. SeBa has been thoroughly updated since the last publication of the content of the code. The limited sample of observed double white dwarfs is better represented by the simulated population using the gamma-formalism than the alpha-formalism. For both CE formalisms, we find that although the morphology of the simulated delay time distribution matches that of the observations within the errors, the normalisation and time-integrated rate per stellar mass are a factor 7-12 lower than observed. Furthermore, the characteristics of the simulated populations of merging double carbon-oxygen white dwarfs are discussed and put in the context of alternative SNIa models for merging double white dwarfs.

研究动机与目标

• 评估合并双碳氧白矮星对观测到的Ia型超新星（SNIa）速率的贡献。
• 检验不同的共同包层（CE）演化形式化方法——α形式化（基于能量）与γ形式化（基于角动量）——对模拟的DWD群体和SNIa速率的影响。
• 将模拟的DWD群体与已观测到的近距离双白矮星系统进行比较，以评估模型的保真度。
• 确定双致密星情景是否足以解释观测到的SNIa速率，或是否需要额外的前身星通道。

提出的方法

• 采用更新版的双星群体合成代码SeBa，将双星系统从零龄主序演化至DWD形成及后续合并。
• 应用两种不同的CE演化方案：α形式化（基于能量）和γ形式化（基于角动量），并采用混合方法，对潮汐或致密天体触发的CE事件使用α形式化。
• 模拟了完整的演化序列，包括质量转移、共同包层阶段以及引力波驱动的螺旋并合，最终形成DWD合并。
• 计算了来自DWD合并的SNIa延迟时间分布（DTD），并与观测的DTD进行比较。
• 估算单位星族质量的总SNIa速率，并与巡天观测值进行比较。
• 评估预期为SNIa前身星的观测DWD比例，并评估金属度、初始质量函数和双星分数对合成速率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 双致密星情景是否可通过DWD合并重现观测到的Ia型超新星延迟时间分布？
• RQ2 选择不同的共同包层形式化方法（α与γ）是否显著影响预测的DWD并合速率和SNIa前身星群体？
• RQ3 模拟的DWD群体在多大程度上与已知近距离双白矮星系统的观测特性相符？
• RQ4 为何DWD通道预测的SNIa速率始终低于观测值？这一差异可能由哪些因素解释？
• RQ5 双致密星情景是否足以解释观测到的SNIa速率，还是需要额外的前身星通道？

主要发现

• 无论采用何种CE形式化方法，模拟的DWD合并延迟时间分布（DTD）形状均与观测结果在误差范围内一致。
• DWD通道预测的SNIa速率比观测值低7–12倍，表明双致密星情景本身存在显著不足。
• γ形式化在重现近距离双白矮星观测群体方面优于α形式化，尤其在质量比分布方面表现更佳。
• 模型中预期为SNIa前身星的观测DWD比例仅为0.9–2.9%，远低于匹配观测SNIa速率所需的10–30%。
• 即使在乐观假设下（如双星分数为70%或低金属度），合成SNIa速率仍不足以解释观测结果，表明需要额外的前身星通道。
• 该模型显著低估了SNIa前身星的数量，46个观测到的DWD中仅预期有4–15个为SNIa前身星，而目前仅识别出两个可能的前身星系统，凸显了显著的不一致。