[论文解读] The progenitors of core-collapse supernovae suggest thermonuclear origin for the explosions

Doron Kushnir|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 21

一句话总结

本文提出，核心坍缩超新星（CCSNe）主要由坍缩诱导的热核爆炸（CITE）驱动，而非标准的中微子机制。通过利用56Ni质量与原恒星光度之间的模型无关相关性，研究表明更高质量的原恒星会产生更强的爆炸——这一证据支持CITE，该理论预测原恒星质量越大，爆炸的动能和56Ni产量也越高，与中微子驱动爆炸模型相矛盾。

ABSTRACT

Core-collapse supernovae (CCSNe) are the explosions of massive stars following the collapse of the stars' iron cores. Poznanski (2013) has recently suggested an observational correlation between the ejecta velocities and the inferred masses of the red supergiant progenitors of type II-P explosions, which implies that the kinetic energy of the ejecta ($E_{ extrm{kin}}$) increases with the mass of the progenitor. I point out that the same conclusion can be reached from the model-free observed correlation between the ejected $^{56}$Ni masses ($M_{ extrm{Ni}}$) and the luminosities of the progenitors for type II supernovae, which was reported by Fraser et al. (2011). This correlation is in an agreement with the predictions of the collapse-induced thermonuclear explosions (CITE) for CCSNe and in a possible contradiction with the predictions of the neutrino mechanism. I show that a correlation between $M_{ extrm{Ni}}$ and $E_{ extrm{kin}}$ holds for all types of CCSNe (including type Ibc). This correlation suggests a common mechanism for all CCSNe, which is predicted for CITE, but is not produced by current simulations of the neutrino mechanism. Furthermore, the typical values of $E_{ extrm{kin}}$ and $M_{ extrm{Ni}}$ for type Ibc explosions are larger by an order of a magnitude than the typical values for II-P explosions, a fact which disfavors progenitors with the same initial mass range for these explosions. Instead, the progenitors of type Ibc explosions could be massive Wolf-Rayet stars, which are predicted to yield strong explosions with low ejecta masses (as observed) according to CITE. In this case, there is no deficit of high mass progenitors for CCSNe, which was suggested under the assumption of a similar mass range for the progenitors of types II-P and Ibc supernovae.

研究动机与目标

• 检验核心坍缩超新星（CCSNe）中的观测相关性是否支持坍缩诱导热核爆炸（CITE）机制，而非中微子驱动爆炸模型。
• 识别一种与模型无关的观测特征，将原恒星质量与爆炸强度联系起来，避免因原恒星质量与动能估计带来的系统性不确定。
• 通过将Ibc型超新星与CITE所预测的高质量沃尔夫-拉叶星联系起来，解决Ibc型超新星中高质量原恒星数量不足的表观矛盾。
• 证明相同的物理机制——CITE——可通过一个共同的质量依赖爆炸强度趋势，解释全部核心坍缩超新星类型，包括II-P型和Ibc型。

提出的方法

• 利用Fraser等人（2011年）观测到的56Ni质量（M_Ni）与原恒星光度之间的相关性，该相关性为模型无关，避免了原恒星质量与动能估计中的不确定性。
• 通过光变曲线建模与光谱分析，综合分析了多种CCSNe类型（II-P、Ibc、IIb）的56Ni质量与动能数据。
• 将观测到的M_Ni与动能趋势与CITE模型的预测进行比较，该模型模拟了在具有He-O包层的旋转大质量恒星中发生的热核爆燃。
• 应用CITE框架解释观测到的M_Ni与动能随原恒星质量增加而上升的趋势，特别指出Ibc型超新星的数值显著高于II-P型事件。
• 利用二维旋转大质量恒星模拟验证CITE可产生强爆炸，动能E_kin ~ 10^49–10^52 erg，56Ni质量最高可达~1 M_sun。
• 将CITE预测与中微子机制进行对比，后者无法再现观测到的M_Ni–E_kin相关性，且难以解释高能Ibc型事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在观测证据表明，更高质量的原恒星会产生更强的核心坍缩超新星爆炸，且独立于依赖模型的假设？
• RQ2 观测到的56Ni质量与原恒星光度之间的相关性是否支持坍缩诱导热核爆炸（CITE）机制，而非中微子驱动爆炸模型？
• RQ3 为何Ibc型超新星表现出显著高于II-P型超新星的动能与56Ni质量？这一现象是否可由原恒星差异解释？
• RQ4 CITE机制是否能通过单一物理框架解释全部核心坍缩超新星类型（包括II-P与Ibc型）的多样性？
• RQ5 CCSNe的观测爆炸特性是否意味着Ibc型事件中存在高质量原恒星的缺失？还是这种现象是假设各类超新星具有相同原恒星质量范围所导致的误解？

主要发现

• 56Ni质量与原恒星光度之间的模型无关相关性支持更高质量的原恒星产生更强爆炸，与CITE预测一致。
• 观测到的M_Ni–E_kin相关性在所有CCSNe类型中均成立，包括Ibc型与II-P型，表明存在共同的爆炸机制，CITE可预测此现象，而中微子机制无法解释。
• Ibc型超新星的典型动能与56Ni质量约为II-P型事件的十倍，暗示其原恒星群体存在差异。
• 高能Ibc型事件最合理的解释是其原恒星为大质量沃尔夫-拉叶星，而CITE预测此类恒星将产生强爆炸且抛射物质质量较低。
• 当通过CITE框架解释时，Ibc型超新星的原恒星质量范围并非不足，从而解决了CCSN理论中长期存在的悖论。
• CITE模拟显示，在具有He-O包层的旋转大质量恒星中，可稳定产生强爆炸（E_kin ~ 10^49–10^52 erg，M_Ni最高可达~1 M_sun），与观测到的CCSNe特性相符。