Ultra-Stripped Supernovae における56Ni 生成と fallback 質量降着について
澤田 涼 (Univ. of Tokyo/ JSPS fellow PD)
共同研究者

諏訪 雄大 (Univ. of Tokyo & YITP, Kyoto Univ.)樫山 和己 (Univ. of Tokyo)

Ultra-stripped Supernovae（USSN） とは？
重力崩壊型超新星爆発 (CC-SNe：𝑴𝐙𝐀𝐌𝐒 > 𝟖𝑴⊙ )CC-SN classification
Type Ic

Type Ib

Type IIHe C/O
core

HHe C/O
core

pre-SN star
C/O
core

Stripped envelope SN 𝑀ejecta ∼ 2 − 5𝑀⊙
近年、 ejecta mass 𝑴𝐞𝐣𝐞𝐜𝐭𝐚 < 𝟏𝑴⊙ ,の観測例• iPTF 14gqr ( 𝑀ejecta = 0.2𝑀⊙ ; De+2018 )• SN 2019dge ( 𝑀ejecta ≈ 0.33𝑀⊙ ; Yao+2020 )⇒ extreme stripping pre-SN star. で起こる超新星爆発→ Ultra-stripped SN (USSN)

2T. M. Tauris+ 2017

Ultra-Stripped Supernovae（USSN） の観測例
• iPTF 14gqr (De+2018)• SN 2019dge (Yao+2020)

3
T. M. Tauris+ 2017

From LC-modeling…
• 𝑀ejecta = 0.2𝑀⊙• 𝐸kin = 0.2 × 1051 ergs

• 𝑀ejecta ≈ 0.33𝑀⊙• 𝐸kin = 0.13 × 1051 ergs

• 𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 = 𝟎. 𝟎𝟓𝑴⊙

• 𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝑴⊙• Remnant = Neutron Star(NS)を期待重力崩壊型超新星で56Niはどれだけ合成されるか？

4𝑀 56Ni ≈ [peak 温度＞𝟓. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟗 [K] の経験領域質量] － [中心コンパクト天体質量]≈ 𝒓𝟓𝟔𝐍𝐢= 𝟑. 𝟕 × 𝟏𝟎𝟖 𝑬𝐞𝐱𝐩𝐥. /𝟏𝟎に含まれる質量𝟓𝟏 𝟏/𝟑cm(1) radiation dominant,(2) isothermal @post-shock,(3) adiabatic expansion.
Saito + in prep.

𝐸expl. =𝑎𝑇 456Ni生成量∝爆発エネルギー

4𝜋 3×𝑟shock
3より、
3𝑟56Ni =56Ni生成量∝親星中心部の質量(compactness)

𝐸expl.
3×
4𝜋 𝑎 5 × 109 4

重力崩壊型超新星で56Niはどれだけ合成されるか？

4𝑀 56Ni ≈ [peak 温度＞𝟓. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟗 [K] の経験領域質量] － [中心コンパクト天体質量]• Canonical-SN explosion

T. Müller + 2017

Type IInormal• 𝐸kin ∼ 1.0 × 1051 ergs→ 𝑀56Ni ∼ 0.05𝑀⊙→ Remnant =NS/or BH
weak (predict)• 𝐸kin ∼ 0.1 × 1051 ergs→ 𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 ≲ 𝟎. 𝟎𝟏𝑴⊙
→ Remnant ≈BH by late-phase fallback

W. Zhang + 2008

5Canonical-SN explosion v.s. USSN
• weak ： 𝐸kin ∼ 0.1 × 1051 ergs
Type II→same explosion
mechanism→USSN

𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 ≲ 𝟎. 𝟎𝟏𝑴⊙ Observation.; (T. Müller + 2017)
Simulation.;(W. Zhang + 2008)
Remnant = BH by late-phase fallback
C/O-core

半径 [cm]×時間 [sec]

109 [cm]

1012 [cm]1014 [cm]∼ 1 [sec]∼ 103 [sec]∼ 105 [sec]• 𝐸kin ∼ 0.1 × 1051 ergs→→

H-layer

He-layer

𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 ∼ 𝟎. 𝟎𝟓𝑴⊙
Remnant =NS

iPTF 14gqr ; De+2018

5Canonical-SN explosion v.s. USSN
• weak ： 𝐸kin ∼ 0.1 × 1051 ergs
Type II→same explosion
mechanism→USSN

𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 ≲ 𝟎. 𝟎𝟏𝑴⊙ Observation.; (T. Müller + 2017)
Simulation.;(W. Zhang + 2008)
Remnant = BH by late-phase fallback
C/O-core

半径 [cm]×時間 [sec]

H-layer

He-layer
109 [cm]

1012 [cm]1014 [cm]∼ 1 [sec]∼ 103 [sec]∼ 105 [sec]the late-phase fallback of USSN is still unclear• 𝐸kin ∼ 0.1 × 1051 ergs→→

iPTF 14gqr ; De+2018

𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 ∼ 𝟎. 𝟎𝟓𝑴⊙ … Can it really be ejected?
Remnant =NS … Can we ignore the effects of the late-phase fallback?

本研究の目的
motivation

後期段階のフォールバック降着までを加味したうえで、USSNは観測を再現する56Ni量を生成/放出できるのか？

simulation

1次元流体/元素合成計算＋計算結果を用いた光度曲線計算✓ Hydrodynamics：
1D Eulerian hydrodynamics code.
based on “hydro-1d” code. (http://zingale.github.io/hydro1d/)＋ tracer-particles Δ𝑀 = 10−4 𝑀⊙＋ Nucleosynthesis (post-process)： 640-isotopes✓ Expl model：Thermal bombを用いて、第一原理計算（Suwa+2015）を再現するよう設定✓ progenitor：𝑀𝐶𝑂 = 1.45, 1.5 − 2.0𝑀⊙ の７model✓ Light-curve calculation：
Based on One-zone Arnett model. （Arnett 1982）

6結果：流体計算による後期段階のフォールバック降着

7hydrodynamics

radius 𝑅𝑐 = 1010 cm にて、𝑀ሶ fb 𝑡 = 4𝜋𝑅𝑐2 𝜌𝑐 𝑡 −𝑣𝑟,𝑐 𝑡
で評価（𝑡 = 0 : shock reach to surface）• フォールバック降着の結果は、「Ⅱ型超新星（canonical-SN）」の衝撃波がCOコア伝搬時と似た結果。
( Janka et al. 2021.)• COコア質量∝ 𝑀ሶ fb 𝑡

結果：元素合成計算と56Ni生成量
nucleosynthesis• 𝑀𝐶𝑂 = 1.45𝑀⊙

56Ni最大8• 𝑀𝐶𝑂 = 2.0𝑀⊙

56Ni最小𝑀56Ni = 0.0163𝑀⊙⇒

𝑀56Ni = 7.8 × 10−5 𝑀⊙

iPTF 14gqr (De+2018) の𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 = 𝟎. 𝟎𝟓𝑴⊙ は再現困難

結果：元素合成計算と56Ni生成量
median8minimumtype II

0.036 𝑀⊙≲ 0.001 𝑀⊙

type IIb+Ibc

0.05 𝑀⊙

0.025 𝑀⊙

• iPTF 14gqr (𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 = 𝟎. 𝟎𝟓𝑴⊙ ; De+2018 )• SN 2019dge (𝑀56Ni = 0.015𝑀⊙ ; Yao+2020 )Meza & Andersons (2021)

結果：One-zoneモデルによる光度曲線計算

9Light-curve model𝑡dyn
𝜕𝐸int 𝑡𝐸int 𝑡ሶ
=−+ 𝑄 𝑡 − 𝐸int · 2𝜕𝑡𝑡dyn𝑡diff
𝜕𝐸kin 𝑡𝐸int 𝑡=.
𝜕𝑡𝑡dyn𝑄ሶ 𝑡 = 𝑓𝑑𝑒𝑝 · 𝑀 56Ni · 𝑞Ni 𝑡

iPTF 14gqr (De+2018)• 𝑀ejecta = 0.2𝑀⊙• 𝐸kin = 0.2 × 1051 ergs
• 𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 = 𝟎. 𝟎𝟓𝑴⊙

SN 2019dge (Yao+2020)• 𝑀ejecta ≈ 0.33𝑀⊙• 𝐸kin = 0.13 × 1051 ergs
• 𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝑴⊙

考察：フォールバック降着が光度曲線に及ぼす影響
Light-curve model𝑡dyn
𝜕𝐸int 𝑡𝐸int 𝑡ሶ=−+ 𝑄 𝑡 − 𝐸int · 2
𝜕𝑡𝑡dyn𝑡diff
𝜕𝐸kin 𝑡𝐸int 𝑡=.
𝜕𝑡𝑡dyn𝑄ሶ 𝑡 = 𝑓𝑑𝑒𝑝 · 𝑀 56Ni · 𝑞Ni 𝑡

𝜂 = 10−7 − 10−3+ 𝜂 ⋅ 𝑀ሶ fb 𝑡 𝑐 210

考察：観測との比較

11

Compered to obs.

SN 2019dge (Yao+2020) は別Parameterで再現成功• 𝑀ejecta ≈ 0.33𝑀⊙• 𝐸kin = 0.13 × 1051 ergs
• 𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝑴⊙
iPTF 14gqr (De+2018)• 𝑀ejecta = 0.2𝑀⊙• 𝐸kin = 0.2 × 1051 ergs
• 𝑴𝟓𝟔𝐍𝐢 = 𝟎. 𝟎𝟓𝑴⊙

は再現困難

まとめ12✓ iPTF 14gqr (De+2018) は56Ni量／光度曲線の再現が困難✓ Central-compact objectが中性子星の場合のフォールバック加熱効率/機構は不明
𝑄ሶ 𝑡 = 𝑓𝑑𝑒𝑝 · 𝑀 56Ni · 𝑞Ni 𝑡+ 𝜂 ⋅ 𝑀ሶ fb 𝑡 𝑐 2

𝜂 = 10−7 − 10−3

✓ 56Ni-free＋fallback-heating のstripped-envelope supernova ：rapid-transient の候補？