Synthetic spectra and light curves of type Ia supernovae [Elektronische Ressource] / Markus Kromer

Markus Kromer

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• Physik

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

¨ ¨TECHNISCHE UNIVERSITAT MUNCHEN
Max-Planck-Institut fur Astrophysik¨
Synthetic spectra and light curves
of Type Ia supernovae
Markus Kromer
Vollst¨andigerAbdruckdervonderFakult¨atfur¨ PhysikderTechnischenUniversita¨t
Munchen zur Erlangung des akademischen Grades eines¨
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. L. Oberauer
Pruf¨ er der Dissertation:
1. Hon.-Prof. Dr. W. Hillebrandt
2. Univ.-Prof. Dr. W. Weise
Die Dissertation wurde am 23.09.2009 bei der Technischen Universit¨at Munc¨ hen
eingereicht und durch die Fakult¨at fur¨ Physik am 27.11.2009 angenommen.iii
Contents
1 Introduction 1
1.1 Supernova classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Astrophysical impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Objective of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Thermonuclear supernovae 13
2.1 Observational characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Light curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3 Spectropolarimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.4 Light echoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.5 Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Basic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Progenitor scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Explosion mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Basics of radiative transfer 29
3.1 Description of the radiation field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Radiation in thermodynamic equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Interaction of radiation and matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1 Local thermodynamic equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.2 Bound-bound opacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3 Continuum opacities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.4 Interaction of γ-photons and matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Statistical equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.1 Rate equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.2 Radiative rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.3 Collisional rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Transfer equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4 Implementation 45
4.1 Monte Carlo radiative transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Homologous expansion, Sobolev approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Outline of the code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1 Setting up the computational domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.2 Energy deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.3 Propagation of γ-packets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52iv Contents
4.3.4 Treatment of thermal kinetic energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.5 Treatment of atomic internal energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.6 Propagation of UVOIR radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.7 Extraction of spectra and light curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 Plasma conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.1 Radiation field models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.2 Excitation and ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.3 Thermal balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Parallelization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6 Atomic data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5 Two simple test cases 73
5.1 The parameterized 1D deflagration model W7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 Simple versus detailed ionization treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.2 Influence of atomic data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.1.3 Comparison with other codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2 An ellipsoidal toy model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.1 The model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.2 Spectral evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.3 Broad-band light curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.4 Secondary maximum in the NIR bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6 Application to hydrodynamic explosion models 91
6.1 Comparing a deflagration to the faint end of delayed detonations . . . . . . . . . . . 91
6.1.1 Spectral evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.1.2 Broad-band light curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.1.3 Comparison to observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 SN 2005bl and the class of 1991bg like objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.1 Broad-band light curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.2 Spectral evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.3 Ejecta asymmetries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.3 Sub-Chandrasekhar-mass models – an alternative route to 1991bg-like objects? . . . 119
6.3.1 Broad-band light curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.2 Spectral evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.3.3 Understanding the asymmetry effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7 Conclusions 131v
List of Figures
1.1 SN 2002bo in NGC 3190 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Supernova classification scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Characteristic spectra for the different supernova types at various epochs . . . . . . 3
1.4 Formation of a P-Cygni line profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Light curve width-luminosity relation of Type Ia supernovae . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 Hubble diagram of Type Ia supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Spectral evolution of a normal SN Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Spectroscopic diversity of SNe Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Broad-band light curves of Type Ia supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Peak B-band magnitude vs. light curve decline parameter Δm (B) for a sample of15
SNe Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 “Zorro”-diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Parameter space for progenitor systems in the single degenerate scenario . . . . . . . 23
2.7 Structure of a 3D deflagration model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1 Flow chart outlining the mode of operation of the code . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Schematic illustration of the macro-atom formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3 Illustration of the selection of the next photon absorption from a randomly sampled
optical depth τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60r
4.4 Influence of the initial grey approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5 Renormalization factors for the photoionization rate coefficients . . . . . . . . . . . . 65
4.6 Schematic view of the thermal balance calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.7 Scaling behaviour of our code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 Spectral evolution of the parameterized 1D explosion model W7. . . . . . . . . . . . 74
5.2 RadialionizationstructureoftheW7model,illustratingtheinfluenceofthedifferent
ionization treatments of the code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
−15.3 Temperature evolution of the W7 model at a radial velocity of 9590kms . . . . . 76
5.4 Radial temperature distribution of the W7 model at 31 days after the explosion . . . 77
5.5 W7 spectra illustrating the influence of different ionization treatments and atomic
data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .