[论文解读] X-ray Evidence for Spectroscopic Diversity of Type Ia Supernovae: XMM observation of the elemental abundance pattern in M87

A. Finoguenov, Kyoko Matsushita+3 more|ArXiv.org|Oct 23, 2001

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 53被引用 47

一句话总结

本研究利用XMM-Newton对M87的X射线观测，测量其高温星际介质和星系团介质中的元素丰度，通过硅族元素与铁的比值变化，揭示了Ia型超新星（SNe Ia）的光谱多样性。关键结果表明，M87中心区域的SNe Ia丰度演化表现为不完全的硅燃烧（高Si/Fe），而星系团外区则表现出较低的Si/Fe和Ni/Fe比值，暗示需结合爆燃与延迟爆轰的SNe Ia模型才能解释观测数据。

ABSTRACT

We present the results of a detailed element abundance study of hot gas in M87, observed by XMM-Newton. We choose two radial bins, 1'-3' and 8'-16' (8'-14' for EMOS; hereafter the central and the outer zones), where the temperature is almost constant, to carry out the detailed abundance measurements of O, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca, Fe and Ni using EPIC-PN (EPN) and -MOS (EMOS) data. First, we find that the element abundance pattern in the central compared to the outer zone in M87 is characterized by SN Ia enrichment of a high (roughly solar) ratio of Si-group elements (Si, S, Ar, Ca) to Fe, implying that Si burning in SN Ia is highly incomplete. In nucleosynthesis modeling this is associated with either a lower density of the deflagration-detonation transition and/or lower C/O and/or lower central ignition density and observationally detected as optically subluminous SNe Ia in early-type galaxies. Second, we find that SN Ia enrichment has a systematically lower ratio of the Si-group elements to Fe by 0.2 dex in the outer zone associated with the ICM of the Virgo cluster. We find that such a ratio and even lower values by another 0.1 dex are a characteristic of the ICM in many clusters using observed Si:S:Fe ratios as found with ASCA. Third, the Ni/Fe ratio in the central zone of M87 is 1.5+/-0.3 solar (meteoritic), while values around 3 times solar are reported for other clusters. In modeling of SN Ia, this implies a reduced influence of fast deflagration SN Ia models in the chemical enrichment of M87's ISM. Thus, to describe the SN Ia metal enrichment in clusters, both deflagration as well as delayed detonation scenarios are required, supporting a similar conclusion, derived from optical studies on SNe Ia. Abridged.

研究动机与目标

• 利用高分辨率XMM-Newton EPIC数据，测量M87热气体中氧、氖、镁、硅、硫、氩、钙、铁、镍的详细元素丰度。
• 通过分析M87中心区与外区的丰度模式，研究Ia型超新星（SNe Ia）的核合成产物。
• 通过将观测到的Si/Fe与Ni/Fe比值与理论预测进行比较，约束SNe Ia爆发模型。
• 探讨X射线气体丰度与M87球状星团特性之间的关联，特别是与隐藏的贫金属恒星种群的关系。
• 评估SNe Ia与SNe II对星际介质与星系团介质金属丰度富集的相对贡献。

提出的方法

• 使用XMM-Newton EPIC-PN与EPIC-MOS仪器对M87进行观测，分为两个径向区间：1′–3′（中心区）与8′–16′（外区），EMOS数据延伸至14′。
• 通过K壳层与L壳层发射线推导元素丰度，通过仔细校准与光谱拟合最小化系统误差。
• 在中心区与外区测量Si/Fe、S/Fe、Ar/Fe、Ca/Fe与Ni/Fe等丰度比值，以探究SNe Ia的核合成过程。
• 将观测到的丰度模式与爆燃与延迟爆轰模型的理论SNe Ia产物进行比较。
• 利用氧丰度作为关键示踪剂以区分SNe II的贡献，因其受Fe-L复合带污染较小。
• 以Anders & Ebhuisen (1989)的陨石太阳丰度与Woosley & Weaver (1995)模型为参考，进行对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 XMM-Newton观测下，M87中心区与外区热气体的元素丰度模式如何？
• RQ2 M87中心区与外区的硅族元素与铁的比值如何约束SNe Ia中硅燃烧的完全程度？
• RQ3 观测到的Ni/Fe比值对SNe Ia中快速爆燃与延迟爆轰模型相对贡献有何启示？
• RQ4 X射线推导的丰度与光学金属度测量相比如何？这对隐藏的贫金属恒星种群有何含义？
• RQ5 M87晕中观测到的丰度模式能否由单一SNe Ia模型解释，还是需要多种爆发机制的组合？

主要发现

• M87中心区的Si/Fe比值为1.12（EPN）与1.24（EMOS），显著高于外区的0.60与0.66，表明SNe Ia中硅燃烧不完全。
• 外区的硅族元素与铁比值比中心区低0.2 dex，与ASCA观测到的其他星系团的ICM丰度模式一致。
• 中心区的Ni/Fe比值为1.5 ± 0.3倍太阳值（陨石参考），远低于其他星团中3倍太阳值的观测结果，表明快速爆燃SNe Ia模型的贡献减少。
• 观测到的M87丰度模式需要同时包含快速爆燃与延迟爆轰SNe Ia模型才能重现，与光学SNe Ia研究的结论一致。
• 中心区的氧丰度为0.55倍太阳值，外区为0.37倍太阳值，与SNe II与SNe Ia混合贡献一致，且SNe II产物与Nomoto et al. (1997a)模型在0.05 dex内吻合。
• 光学与X射线金属度测量之间的差异可能由隐藏的贫金属恒星种群造成，该种群贡献了X射线气体但未在光学巡天中显现。