[论文解读] VRO 42.05.01: A supernova remnant resulted by a supersonic, mass losing progenitor star

A. Chiotellis, P. Boumis+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出，银河系超新星遗迹VRO 42.05.01的特殊形态源于一颗以超音速运动、质量损失显著且风场在赤道平面具有各向异性的前身星。通过使用AMRVAC代码进行的二维流体动力学模拟，作者表明，前身星的运动及其不对称风场的形成共同产生了一个风泡，使超新星遗迹呈现出明显的双瓣壳层与三角形翼状结构，其形态与观测结果一致，且无需假设非均匀的周围介质。

ABSTRACT

We present a model for the Galactic supernova remnant (SNR) VRO 42.05.01, suggesting that its intriguing morphology can be explained by a progenitor model of a supersonically moving, mass losing star. The mass outflows of the progenitor star were in the form of an asymmetric stellar wind focused on the equatorial plane of the star. The systemic motion of the parent star in combination with its asymmetric outflows excavated an extended wind bubble that revealed a similar structure to this of VRO 42.05.01. Currently the SNR is interacting with the wind bubble and it is dominantly shaped by it. Employing 2D hydrodynamic simulations we model VRO 42.05.01 under the framework of this model and we reproduce its overall morphological properties. We discuss the variations of our progenitor model in light of the current observational uncertainties.

研究动机与目标

• 在不假设非均匀周围介质的前提下，解释VRO 42.05.01的异常形态，其特征为半圆形壳层与大型弓形翼状结构。
• 探究一颗以超音速运动、质量损失且风场具有各向异性的前身星是否能自然形成观测到的SNR结构。
• 通过流体动力学模拟，建模前身星形成的风泡及其与超新星喷射物的后续相互作用。
• 基于遗迹的尺寸与形态，结合VRO距离的不确定性，约束前身星的风特性与运动参数。

提出的方法

• 模拟使用AMRVAC流体动力学代码分两个阶段进行：首先模拟红超巨星（RSG）形成的风泡，随后模拟具有各向异性风场的沃尔夫-拉叶星（WR）前身星的风泡形成。
• 各向异性风场通过依赖极角θ的速度与密度分布方程建模，参数α、β与k控制风场的约束程度与极向-赤道向比值。
• 通过在恒星静止参考系中引入与恒星速度（60 km s⁻¹）相反方向的等向、均匀气流，模拟前身星的超音速运动。
• 在风泡中心引入超新星喷射物，能量为2×10⁵⁰ erg，质量为6 M☉，采用幂律密度分布（n=9）与哈勃型速度律。
• 周围星际介质设定为n_ISM = 0.5 cm⁻³与T_ISM = 1000 K，符合典型ISM条件。
• 模拟追踪了SNR在57,000年内的演化过程，捕捉了其与风泡壳层及赤道密度增强区的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 VRO 42.05.01的形态，特别是其壳层与翼状结构，能否通过一颗超音速、质量损失的前身星实现，而无需依赖非均匀的周围介质？
• RQ2 形成与观测到的VRO尺寸与形状相符的风泡，所需的风特性（速度、质量损失率、各向异性）为何？
• RQ3 前身星的超音速运动如何影响最终形成的超新星遗迹的形态？
• RQ4 聚焦于赤道平面的各向异性恒星风在多大程度上使SNR演化为双瓣结构？
• RQ5 前身星距离与风参数的变化在多大程度上影响模型再现观测到的SNR形态的能力？

主要发现

• 二维流体动力学模拟成功再现了VRO 42.05.01观测到的双瓣壳层与三角翼状形态，通过模拟超新星喷射物与超音速、各向异性前身星形成的风泡之间的相互作用。
• 风泡由前身星的超音速运动（60 km s⁻¹）与各向异性风场（赤道方向增强）共同作用形成，产生类似SNR中两个组成部分的结构。
• SNR初始的双瓣形态源于各向异性风场导致的赤道平面密度增强，与成熟SNR如G 65.3+5.7的形态一致。
• SNR在爆发约6,000年后开始显著减速，此时首次与风泡的驻点及壳层发生碰撞。
• 在爆发57,000年后，SNR已完全与周围星周结构相互作用，其形态主要由预先存在的风泡主导。
• 模型表明，前身星最可能为沃尔夫-拉叶星，因其所需的风机械光度约为10³⁸ erg s⁻¹，但其确切性质仍因距离相关的退化关系而不确定。