99
Pair-instability сверхновые и предвестники коллапса звезд С.И.Блинников [email protected] ITEP, SAI, also partly IPMU НИИЯФ15y12-Prosper – p. 1

Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Pair-instability сверхновые ипредвестники коллапса звезд

С.И.Блинников

[email protected]

ITEP, SAI, also partly IPMU

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 1

Page 2: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SINP MSU, 15th May 2012

S.I.Blinnikov 1,2,3

1Institute for Theoreticaland Experimental Physics(ITEP), Moscow

2Sternberg AstronomicalInstitute (SAI), MSU, Moscow

3work partly done at IPMU,Tokyo University, Kashiwa

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 2

Page 3: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Supernova SN1994D in NGC4526Shocks are not important for light in “Nobel prize” SNe Ia

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 3

Page 4: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SN 2006gy

Ofek et al. 2007, ApJL

Smith et al. 2007, ApJ

Shocks arevital for

explaining lightof those

superluminousevents formany

months...

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 4

Page 5: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SNR Tycho in X-rays (Chandra)

...and thousands of years in SNRs

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 5

Page 6: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Supernova: order of events

Core collapse (CC) or explosion

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 6

Page 7: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Supernova: order of events

Core collapse (CC) or explosion

Neutrino/GW signal, accompanying signals

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 6

Page 8: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Supernova: order of events

Core collapse (CC) or explosion

Neutrino/GW signal, accompanying signals

Shock creation if any, propagation and entropyproduction inside a star

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 6

Page 9: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Supernova: order of events

Core collapse (CC) or explosion

Neutrino/GW signal, accompanying signals

Shock creation if any, propagation and entropyproduction inside a star

Shock breakout (!)

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 6

Page 10: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Supernova: order of events

Core collapse (CC) or explosion

Neutrino/GW signal, accompanying signals

Shock creation if any, propagation and entropyproduction inside a star

Shock breakout (!)

Diffusion of photons and cooling of ejecta

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 6

Page 11: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Core-Collapse-SN (CCSN)

Standard description of Chronology

1 sec: Core collapse, bounce, or SASI⋆), or rotMHD,shock revival

1 min to 1 day: shock propagates and breaks out (1stEM signature). Fallback? NS vs. BH formation?

Mins to days: Final ejecta acceleration to homology(velocity u ∝ r)

⋆) Standing accretion shock instability

Actually some weak EM signals are inevitably producedbefore shock breakout

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 7

Page 12: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Burning in center and in shells

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 8

Page 13: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Many shells next few slides from Raffelt (2010) and other sources

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 9

Page 14: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Newborn NS

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 10

Page 15: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

NS energy estimates

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 11

Page 16: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

First messengers of explosions

Neutrino?

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 12

Page 17: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

First messengers of explosions

Neutrino? → Gravitational waves?

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 12

Page 18: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

First messengers of explosions

Neutrino? → Gravitational waves? →

Radio waves? At least in atmospheric explosions

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 12

Page 19: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

First messengers of explosions

Neutrino? → Gravitational waves? →

Radio waves? At least in atmospheric explosions →

Shock breakout

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 12

Page 20: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SN classification

light curveIIb IILIIP

IIn

ejecta−CSMinteraction

core collapsethermonuclear

yes

yesno

no

noSiIIHeI yes

hypernovae

strong

shape

Ia IcIb

Ib/c pec

III H

Turrato 2003

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 13

Page 21: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Extremely bright Type IIn SNe

V-band(Drake et al. 2010)

SN1987A and atypical SNII belowthe frame!

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 14

Page 22: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

H-poor superluminous SNe

Quimby et al. 2011

−50 0 50 100 150Rest−frame phase (days)

−16

−18

−20

−22A

bsol

ute

u−ba

nd A

B m

agni

tude

SS SS

SCP 06F6SN 2005apPTF09cndPTF09cwlPTF09atuPTF10cwr

Still enigmatic. Most probably explained by a long livingradiative shock. No better model is suggested

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 15

Page 23: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Supernova 1987A Neutrinos

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 16

Page 24: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SN 1987A NeutrinosTen neutrino events were detected in a deep mine neutrino detection facility in Japan which

coincided with the observation of Supernova 1987A. They were detected within a time

interval of about 15 seconds against a background of lower energy neutrino events. A similar

facility, IMB in Ohio detected 8 neutrino events in 6 seconds. These observations were made

18 hours before the first optical sighting of the supernova.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 17

Page 25: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Superlumnal neutrino cartoons...

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 18

Page 26: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Longo PRD 36(1987)3276

Distance = 1.6 × 105 ly, ∆t ≈ 3h, hence

|(c − cν)/c| . 3h/(1.6 × 105 × 365 × 24) = 2 × 10−9

Where does ∆t ≈ 3h come from?Could the constraint be improved?

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 19

Page 27: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SN1987A discovery

Timing (times in Universal Time)7:36, 23 February, neutrinos observed9:30, 23 February

Albert Jones, amateur astronomer, observesTarantula Nebula in LMCHe sees nothing unusual

10:30, 23 FebruaryRobert McNaught photographs LMCWhen plate is developed, SN1987A is there.Some 20 hours later, Ian Shelton’s discovery.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 20

Page 28: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SN87A early observations

Blinnikov with K.Nomoto ea

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 21

Page 29: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SN87A early observations

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 22

Page 30: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Improvement of cν constraint

If the flash at shock breakout were observed we would get

|(c − cν)/c| . 2 × 10−10

Much better improvement is possible in principle!If a precollapse suspect is monitored and its prompt quakeis registered e.g. in radio simultaneously with ν and/or GWsignal.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 23

Page 31: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

ν detectors

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 24

Page 32: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Next generation ν detectors

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 25

Page 33: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Gravitational Waves from CCSNe

http://numrel.aei.mpg.de/images

These images are copyright of AEI, ZIB, LSU and SISSA

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 26

Page 34: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

GW detectors

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 27

Page 35: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

ν detectors

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 28

Page 36: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

GW LIGO estimates

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 29

Page 37: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SN 2006gy

Ofek et al.

2007, ApJL,

astro-

ph/0612408)

Smith et al.

2007, Sep. 10

ApJ, astro-

ph/0612617)

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 30

Page 38: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Brightest. Supernova. Everby N.Smith

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 31

Page 39: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

It was Most Luminous SN ever

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 32

Page 40: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Extremely bright Type IIn SNe

V-band(Drake et al. 2010)

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 33

Page 41: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Luminous SN: too many photons?

Now we know a few other SNe with peak luminosity evenhigher than SN 2006gy.

Total light 1051 ergs: 2 orders ofmag higher than normal core

collapsing SN and 1 order morethan brightest thermonuclear SNTo explain this light we inevitably involve large stellar

masses.I will try to explain why the evolution of stars with M > 10M⊙

is quite different from low mass stars, and what happens atM ∼ 100M⊙

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 34

Page 42: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 35

Page 43: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 36

Page 44: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Stellar evolution

HR (L− Teff) diagram needed for comparison withobservations

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 37

Page 45: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Compression in centereven if Rout grows

1974ARA&A..12..215I

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 38

Page 46: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Central Pressure

Omitting all coefficients of order unity, pressure and densityin the center are:

Pc ≃GNM

2

R4, ρc ≃

M

R3.

and we find

Pc ≃ GNM2

3ρ4/3c .

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 39

Page 47: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Tc ∝ M2/3ρ1/3c in ND stars

So if we have a classical ideal plasma with P = RρT/µ,where R is the universal gas constant, and µ – meanmolecular mass,

Tc ≃GNM

2/3ρ1/3c µ

R.

With µ ≃ 1 for H-He fully ionized plasma we get for the Sun

Tc ≃ 107 K ≃ 1 keV.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 40

Page 48: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Now check: Tc ∝ M2/3ρ1/3c

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 41

Page 49: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Check: Tc ∝ M2/3ρ1/3c

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 42

Page 50: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Not so for lower masses

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 43

Page 51: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Degeneracy of electrons

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 44

Page 52: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Degeneracy of electrons

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 45

Page 53: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

M > 10M⊙ never degenerate

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 46

Page 54: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Compare with old Iben’s results

1974ARA&A..12..215I

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 47

Page 55: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Check: Tc ∝ M2/3ρ1/3c

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 48

Page 56: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Check: Tc ∝ M2/3ρ1/3c

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 49

Page 57: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

If radiation dominates in P

When plasma is

radiation-dominated (for massive

stars), then, P ∝ T 4, and

Tc ∝ M 1/6ρ1/3c .

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 50

Page 58: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

HR and Tc − ρc evolution

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 51

Page 59: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Compute stars yourself

Computational Astrophysics:http://rainman.astro.uiuc.edu/ddr/

The Digital Demo Room

10000 stars evolve together – find on this site – click here

7 stars of masses 20M⊙ < M < 80 evolve in a combined run

and explode as SNe – find on this site – click here

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 52

Page 60: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

The carbon-oxygen cores of low mass stars turn out to bedegenerate at the moment when the carbon burningbegins. The temperature of their interiors is also stronglyaffected by the neutrino energy losses. Should the carbonburning only begin in degenerate conditions, it acquires aviolent, explosive nature giving rise to the explosion of TypeIa supernovae.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 53

Page 61: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

On hydrodynamical instability

Equilibrium requires (in Newtonian gravity):

Pc ≃ GNM2/3ρ4/3c .

This implies that adiabatic exponent

γ < 4/3 may lead to a hydrodynamic

instability.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 54

Page 62: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Mechanical stability

×

5/3

4/3

S1 > S2 > S3

lg ρ

lgP

M = const

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 55

Page 63: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Relativistic particles

lead to γ → 4/3

We have γ ∼ 4/3 due to high entropy S (photons and

e+e− pairs).At low S → 0 we have γ → 4/3 due to high Fermi energyof degenerate electrons at high density ρ.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 56

Page 64: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Causes for a collapse: pairs

For very massive stars the radiation pressure aT 4/3 mustbe much larger than RρT .Here per gram

Eth = aT 4/ρ

and from

TS = Eth + P/ρ for µ = 0,

we find per unit mass

S =4

3

aT 3

ρ.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 57

Page 65: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Photons and ...

T =

(

3

4

a

)1/3

, P =1

3aT 4 =

a

3

(

3

4

a

)4/3

,

i.e. P ∝ ρ4/3 for constant S, and γ = 4/3. When T >∼ 0.1mec

2

for small µ in non-degenerate gas the pairs (e+e−) are born

intensively, so for T ≫ mec2 the total thermal energy

Ethρ = aT 4 +7

4aT 4 =

11

4aT 4,

(7a/8) is added per each polarization of fermions.Exact formulae see, e.g., SB,Dunina-Barkovskaya,DKN,1996, ApJS.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 58

Page 66: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

. . . and e+e− pairs

pressure

P =11

12aT 4,

and entropy per gram

S =11

3

aT 3

ρ.

Thus for T ≫ mec2 again P ∼ ρ4/3, but the coefficient is

smaller

P =11

12aT 4 =

11a

12

(

3

11

a

)4/3

,

so in between the slope logP – log ρ must be less than 4/3.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 59

Page 67: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Pair instability

A radiationdominated starwas already atthe verge of theloss of the stability

(P ∝ ρ4/3), andnow it is unstable if(γ < 4/3).

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 60

Page 68: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Open evolution code

Hertzsprung-Russell and Center Temperature-DensityTracks for Metallicity Z = 0.02. The “He” symbols showwhere the net of power from nuclear reactions beyondhydrogen burning minus neutrino losses from all sourcesreaches the break-even point.

Paxton: P.Eggleton evolution code

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 61

Page 69: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Higher mass means higher Tcfor the same ρ, hence pair creation

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 62

Page 70: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Open evolution code

Previous plot is taken from here

Paxton: P.Eggleton evolution code

Centre Temperature-Density Tracks for Metallicity Z = 0.02.The “He” symbols show where the net of power from

nuclear reactions beyond hydrogen burning minus neutrinolosses from all sources reaches the break-even point.

Более наглядные графики ниже — Roni WaldmanarXiv:0806.3544.

Better looking plots below are from Roni Waldman’s eprintarXiv:0806.3544.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 63

Page 71: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Massive stars and their He-cores

8.5

8.6

8.7

8.8

8.9

9

9.1

9.2

9.3

9.4

9.5

9.6

9.7

9.8

9.9

10

3 4 5 6 7 8 9 10

log(

T c)

log(ρc)

Fe disintegration

Pair instability

M 20

He 8

M 80

He 36

Each line is labeled “M” forstellar models and “He” forHe-core models, followedby the mass of the modelor of the core. Here arestars that reach corecollapse avoiding pair

instability.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 64

Page 72: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

3 outcomes of pair-instability

Here are only He-coremodels, labeled by “He”and the mass of the core.

They all reach pairinstability, subsequently

experiencing 1) pulsations(He48),

2) complete disruption(He80), or

3) direct collapse (He160). 8.5

8.6

8.7

8.8

8.9

9

9.1

9.2

9.3

9.4

9.5

9.6

9.7

9.8

9.9

10

3 4 5 6 7 8 9 10

log(

T c)

log(ρc)

Fe disintegration

Pair instability

He 48

He 80

He 160

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 65

Page 73: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

γ < 4/3 domain in T − ρ plane

Gary S. Fraley 1968. Pair-instability SNe

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 66

Page 74: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Adiabatic γ for pairs at very low density

D.K.Nadyozhin 1974, see SB,Dunina-Barkovskaya,DKN,1996, ApJS

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 67

Page 75: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Umeda and Nomoto 2007

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 68

Page 76: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Woosley et al. 2007, 103 M⊙ star

This gives theMost LuminousSupernovae (!),because, instead ofone SN explosion,we have severalmass ejectionsand collisions ofmass shells whichproduce brightradiating shocks.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 69

Page 77: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

SN IIn structure, Chugai, SB ea’04

(photosphere)

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 70

Page 78: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Shocks in SNe IIn

A long livingshock: anexample forSN1994w oftype IIn. Densityas a functionof the radius rin two modelsat day 30. Thestructure tendsto an isothermalshock wave.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 71

Page 79: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Woosley, Blinnikov, Heger, s103

Pulsational pair instability may give the Most Luminous Supernovae!НИИЯФ15y12-Prosper – p. 72

Page 80: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Two mass ejections

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 73

Page 81: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Light curve for SN2006gyfrom Woosley, SB, Heger (2007)

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 74

Page 82: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Stella: LCs for SN2006gynew runs

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 75

Page 83: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Double explosion: old idea

Grasberg & Nadyozhin (1986)

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 76

Page 84: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Hydro structure 60 d

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 77

Page 85: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

60 d, mass coordinate

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 78

Page 86: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

‘Visible’ disk of SN 2006gy

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 79

Page 87: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Star formation rate = SFR

Smartt S. J., 2009, ARAA, 47, 63

0 2 4 6 8 100

20

40

60

80

100

R(z

) (n

um

be

r s

−1)

redshift z

NS births ccSNe

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 80

Page 88: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Nearby candidate:

Betelgeuse in ORION – distance 130 pc

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 81

Page 89: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Neutrino warning

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 82

Page 90: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Neutrino emission

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 83

Page 91: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

From Odrzywolek et al.

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 84

Page 92: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Neutrinos: Milky Way warning

Red circle is expected range forGADZOOKS!/Super-Kamiokande detector

Green circle is expected range for Gd-loaded 0.5 Mt waterdetector (UNO, Hyper-Kamiokande, LAGUNA)

Blue circle is expected range for hypothetical 10 Mtunderwater detector (TITAN-D, underwater balloon)

Yellow circle is expected range for futuristic “Gigaton Array”detector — for three hour warning range is much larger thanGalaxy radius

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 85

Page 93: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Neutrinos: 1 day MW warning

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 86

Page 94: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

3 hours MW warning

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 87

Page 95: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Summary

Radiating shocks are most probable sources of light inmost luminous supernovae of type IIn like SN2006gy

Most luminous SN IIn events may be observed at highz [for years due to (1 + z)] and may be useful as direct,primary, distance indicators in cosmology

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 88

Page 96: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Conclusions-1

The shock wave which runs through rather densematter surrounding an exploding star can produceenough light to explain very luminous SN events. No56Ni is needed in this case to explain the light curvenear maximum light (some amount may be needed toexplain light curve tails).We need the explosion energy of only 2-4 Bethe for the

shell with M = 3 − 6M⊙ and R . 1016cm. NARROWLINES MAY NOT BE PRODUCED!

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 89

Page 97: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Conclusions-2

Questions on the latest phases of star evolution arise:

Is it possible to form so big and dense envelopes?And how?

Time scale for such a formation

How far can the envelope extend?

Density and temperature profiles inside theenvelope right before the explosion

Question to observations: try to find traces of suchshells for bright explosions.(There are spectral evidence of circumstellar shells fortype IIn and Ibn SNe. Is it possible to find C–Oenvelopes as well?)

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 90

Page 98: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Conclusions-3

Many technical problems in light curve calculations:

line opacities;

dimensionality: 3D is preferable, since the envelopecan most probably be clumpy;

NLTE spectra

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 91

Page 99: Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвездnuclphys.sinp.msu.ru/nseminar/15.05.12.pdf · Pair-instabilityсверхновыеи предвестникиколлапсазвезд

Acknowledgements

Our work is supported by Grants of the Government of theRussian Federation 11.G34.31.0047, RFBR 10-02-00249,10-02-01398, RF Sci. School 3458.2010.2, 3899.2010.2, bya grant IZ73Z0-128180/1 of the Swiss National ScienceFoundation (SCOPES), and in Germany by MPA guestprogram. This research has been partly done at IPMU,Tokyo University, and supported in part by World PremierInternational Research Center Initiative, MEXT, Japan

НИИЯФ15y12-Prosper – p. 92