[论文解读] Time-Varying Extinction, Polarization, and Colors of Type Ia Supernovae due to Rotational Disruption of Dust Grains

Nguyen Chau Giang, Thiem Hoang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 66被引用 17

一句话总结

该论文提出，超新星Ia（SNe Ia）附近尘埃颗粒的辐射扭矩破坏（RATD）可解释观测到的时间依赖性消光、偏振和颜色特性——特别是低 RV（~1.5）和短波长偏振极大值（λmax < 0.4 µm）。RATD 在约 40 天内迅速将大颗粒破碎为小颗粒，改变颗粒大小分布，并通过辐射扭矩增强小颗粒的对齐，从而重现了 SNe Ia 观测中发现的异常消光和偏振特性。

ABSTRACT

Photometric and polarimetric observations toward type Ia supernovae (SNe Ia) frequently report an unusually low total-to-selective extinction ratio ($R_{ m V} < 2$) and small peak wavelength of polarization ($\lambda_{ m max}< 0.4 \mu m$). Recently, Hoang et al. proposed that the increase in the abundance of small grains relative to large grains near SNe Ia due to RAdiative Torque Disruption (RATD) can explain this puzzle. To test this scenario, we will perform detailed modeling of dust extinction and polarization of SNe Ia accounting for grain disruption by RATD and grain alignment by RAdiative Torques (RATs). For dust clouds at distance $d< 4$ pc from the source, we find that $R_{ m V}$ decreases rapidly from the standard value of $3.1$ to $\sim 1.5$ after a disruption time $t_{ m disr}\le 40$ days. We then calculate the observed SNe Ia light curve and find that the colors of SNe Ia would change with time due to time-varying extinction for dust clouds at distance of $d<4$ pc. We also calculate the wavelength-dependence polarization produced by grains aligned with the magnetic fields by RATs. We find that $ \lambda_{ m max}$ decreases rapidly from $\sim 0.55 \mu$m to $\sim 0.15 \mu$m over an alignment time of $t_{ m align}< 10$ days due to the enhanced alignment of small grains. By fitting the theoretical polarization curve with the Serkowski law, we find that the parameter $K$ from the Serkowski law increases when large grains are disrupted by RATD which can explain the $K$ vs. $\lambda_{ m max}$ data observed for SNe Ia. Finally, we discover an anti-correlation between $K$ and $R_{ m V}$ which might already be supported by SNe Ia observational data. Our results demonstrate the important effect of rotational disruption of dust grains by radiative torques on the time-dependent extinction, polarization, and colors of SNe Ia.

研究动机与目标

• 解释在 SNe Ia 中观测到的异常低总消光与选择消光比（RV < 2）以及短波长偏振极大值（λmax < 0.4 µm）的原因。
• 研究尘埃颗粒的辐射扭矩破坏（RATD）是否能够解释早期 SNe Ia 中消光与偏振特性快速演化现象。
• 通过 RATA 和颗粒对齐建模 RATA 导致的随时间变化的消光与偏振曲线。
• 量化时间依赖性消光对 SNe Ia 光曲线和颜色的影响。
• 将理论预测的 Serkowski 法律参数 K 与 RV 之间的反相关性与观测数据进行对比。

提出的方法

• 利用 SNe Ia 的时间依赖光度（公式 1）建模 RATD 导致的颗粒破坏，并计算在 d < 4 pc 范围内，破坏时间 tdisr < 40 天。
• 通过 RATD 计算颗粒大小分布的演化，其中破坏尺寸 a_disr 随时间从 ~0.2 µm 降低至 0.03 µm。
• 应用辐射扭矩对齐（RATs）理论，计算在磁场作用下的颗粒对齐，将对齐时间 talign < 10 天。
• 使用修改后的颗粒大小分布计算消光曲线，并与观测到的 SNe Ia 光电测光数据进行拟合。
• 将理论偏振曲线与 Serkowski 法律（公式 A1）拟合，以推导出 K 和 λmax 参数。
• 通过引入 RATD 导致的时间依赖性消光，预测观测到的 SNe Ia 光曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 RATD 是否能够解释在 Ia 型超新星爆发后 40 天内，RV 从 3.1 快速下降至 ~1.5 的现象？
• RQ2 RATD 引发的小颗粒增强是否能够解释 SNe Ia 中观测到的短波长偏振极大值（λmax < 0.4 µm）？
• RQ3 由 RATs 引起的颗粒对齐如何影响偏振的波长依赖性？是否能够重现观测到的 K 和 λmax 值？
• RQ4 RATD 是否预测了 Serkowski 参数 K 与 RV 之间的反相关性？该预测是否与观测数据一致？
• RQ5 由于 RATD 导致的时间依赖性消光，在多大程度上改变了 SNe Ia 的观测颜色与光曲线？

主要发现

• 对于距离超新星爆发点 4 pc 以内的尘埃云，RV 在 tdisr < 40 天内从 3.1 降低至 ~1.5。
• 由于 RATD 产生的小颗粒对齐增强，λmax 在 talign < 10 天内从 ~0.55 µm 降低至 ~0.15 µm。
• 随着颗粒破坏的进行，Serkowski 法律参数 K 显著增加，解释了 SNe Ia 中观测到的 K 与 λmax 之间的趋势。
• RATD 模型预测了 K 与 RV 之间的反相关性，且与现有观测数据一致。
• 当引入 RATD 和 RAT 对齐时，理论消光与偏振曲线与观测到的 SNe Ia 数据高度吻合。
• 由于 RATD 导致的时间依赖性消光，SNe Ia 光曲线中可观测到颜色演化，对宇宙学距离测量具有重要意义。