[论文解读] The evolution of main sequence star + white dwarf binary systems towards Type~Ia supernovae

N. Langer, A. Deutschmann+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 13

一句话总结

本文提出了主序星+白矮星双星系统的自洽演化模型，表明质量转移在约10⁶年内逐渐开始，并伴随持续的新星爆发，且白矮星主要在质量转移的衰减阶段达到钱德拉塞卡质量。关键的是，即使初始白矮星质量低至0.7 M☉，也能导致Ia型超新星爆发，可能产生快速旋转的前身星，且金属丰度显著影响伴星质量范围和吸积速率。

ABSTRACT

Close binaries consisting of a main sequence star and a white dwarf are considered as candidates for Type~Ia supernova progenitors. We present selfconsistent calculations of the time dependence of the structure of the main sequence star, the mass transfer rate, and the orbit by means of a binary stellar evolution program. In contrast to results based on simple estimates of the mass transfer rate in systems of the considered type, our results allow for the possibility that even systems with rather small initial white dwarf masses (~ 0.7 M_sun) may produce Type Ia supernovae. We present results for two different metallicities, Z=0.02 and Z=0.001. We find that for systems with the lower metallicity, the mass transfer rates are on average five times larger than in comparable system at solar metallicity. This leads to a systematic shift of the supernova Ia progenitor population. Firstly, while for Z=0.02 donor star initial masses in supernova progenitor systems are restricted to the range 1.6...2.3 M_sun, they are in the interval 1.4...1.8 M_sun at low Z. Secondly, the initial white dwarf masses need, on average, to be larger by 0.2 M_sun at low Z in order to obtain a Chandrasekhar mass white dwarf. This metallicity dependences may be responsible for a drop of the Type Ia supernova rate for low metallicity, and may introduce a Z-dependence in the properties of supernovae. We also estimate the X-ray luminosities of the computed systems, and investigate their donor star and orbital properties.

研究动机与目标

• 模拟主序星+白矮星双星系统中质量转移、轨道参数及白矮星质量增长的完整时变演化过程。
• 研究此类系统作为Ia型超新星前身星的可行性，特别关注钱德拉塞卡质量达到的时间与条件。
• 考察金属丰度（Z = 0.02 和 Z = 0.001）对质量转移速率、伴星质量范围及前身星系统特性的影响。
• 预测X射线光度及伴星特性，以与观测到的超软X射线源进行比较。
• 推导超新星爆发后星体残骸的化学与运动学特征，以供未来观测检验。

提出的方法

• 采用双星演化代码计算主序星的时变结构、质量转移速率及轨道演化。
• 自洽地处理质量转移过程，包括白矮星风质量损失和吸积效率的影响。
• 使用具有两种金属丰度（Z = 0.02 和 Z = 0.001）的详细恒星演化模型，评估金属丰度依赖性。
• 基于质量转移速率和伴星特性计算X射线光度，并与观测到的超软X射线源进行比较。
• 追踪白矮星温度、质量及自转的演化，并评估稳定核燃烧的临界吸积速率。
• 预测Ia型超新星爆发后星体残骸的化学与运动学特性，以与历史超新星（如SN 1006）进行对比检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 主序星+白矮星双星系统中质量转移速率的时间演化特征如何？是否支持具有持续新星爆发的渐进式启动？
• RQ2 白矮星是否可能在质量转移的衰减阶段（Ṁ_WD < 0）达到钱德拉塞卡质量？这对核燃烧稳定性有何影响？
• RQ3 金属丰度如何影响演化为Ia型超新星的系统中伴星的质量范围和质量转移速率？
• RQ4 这些系统的预测X射线特性在多大程度上与观测到的超软X射线源一致？
• RQ5 Ia型超新星爆发后星体残骸的化学与运动学特征是什么？是否可进行观测验证？

主要发现

• 这些系统中的质量转移具有约10⁶年的长期启动阶段，在此期间预计将持续发生新星爆发。
• 白矮星主要在质量转移的衰减阶段（Ṁ_WD < 0）达到钱德拉塞卡质量，这可能影响稳定核燃烧的临界吸积速率。
• 即使初始白矮星质量低至0.7 M☉，系统仍可演化为Ia型超新星，提示可能存在快速旋转的前身星。
• 在低金属丰度（Z = 0.001）下，质量转移速率平均为太阳金属丰度（Z = 0.02）的五倍，伴星质量范围从太阳金属丰度下的1.6–2.3 M☉移至1.4–1.8 M☉。
• 为在低金属丰度下实现钱德拉塞卡质量，初始白矮星质量平均需比太阳金属丰度下大0.2 M☉。
• 预测的X射线光度及伴星特性（如低光度且更致密）与观测到的密近双星超软X射线源一致。