The interaction of Type Ia supernovae with their circumstellar medium

Abstract

Type Ia supernovae result by the thermonuclear combustion of carbon oxygen white dwarfs, members of interacting binary systems. However, despite decades of research the nature of the companion star, the evolutionary path of the binary system towards its expositive death, and the explosion mechanism itself remain largely unknown. One promising method able to put further insights into the unknown origin of Type Ia supernovae is the search of traces of interaction between the supernova and circumstellar structures shaped by the evolution of the progenitor system. The key idea behind this method, is that different evolutionary paths sculpture different circumstellar structures. Subsequently, when the white dwarf will explode, its ejected material will interact with these modified medium and the result of this interaction will be reflected on the properties of supernova and much later on those of the formed supernova remnant. Thus, reversing this logical sequence, the identification of traces of interaction with circumstellar structures on the observed properties of Type Ia supernovae and their remnants can provide vital information on the properties of the circumstellar medium that was surrounding the explosion center and thus, on the nature and evolution of the progenitor binary system. This PhD thesis focusses on this method where I study a number of young supernova remnants, resulted by type Ia supernovae, searching for traces of interaction with circumstellar structures. Through detailed hydrodynamic modeling I aim to decipher the encoded information carried in the relevant observables and extract crucial information about their progenitor systems. The thesis consists of five chapters: 1: Introduction; 2: The imprint of a symbiotic binary progenitor on the properties of Kepler's supernova remnant; 3: Modeling the interaction of thermonuclear supernova remnants with circumstellar structures: The case of Tycho's supernova remnant; 4: The many sides of RCW 86: a type Ia supernova remnant evolving in its progenitor's wind bubble; 5: Early X-ray emission from Type Ia supernovae originating from symbiotic progenitors or recurrent novae. The individual chapter 2-5 have been published in the refereed literature.

Οι υπερκαινοφανείς εκρήξεις Τύπου Ια προκαλούνται από τη θερμοπυρηνική καύση λευκών νάνων, μέλη διπλών και αλληλεπιδρώντων αστρικών συστημάτων. Όπως, παρ’ όλη την έρευνα δεκαετιών, η φύση του συνοδού αστέρα, η εξελικτική διαδρομή του διπλού αστρικού συστήματος και ο μηχανισμός έκρηξης παραμένουν σε μεγάλο βαθμό άγνωστα. Μία υποσχόμενη μέθοδος ικανή να παράσχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη φύση των υπερκαινοφανών εκρήξεων Τύπου Ια είναι η αναζήτηση και μελέτη πιθανών ιχνών που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση της υπερκαινοφανούς εκρήξεως με περιβάλλουσες περιαστρικές δομές. Η βασική ιδέα πίσω από αυτή τη μέθοδο, είναι ότι διαφορετικές αστρικές εξελικτικές διαδρομές σχηματίζουν γύρω τους διαφορετικές περιαστρικές δομές. Επακόλουθα, κατά την έκρηξη του λευκού νάνου, το εκτινασσόμενο υλικό θα αλληλεπιδράσει με το ήδη τροποποιημένο περιβάλλον μέσο και τα αποτελέσματα αυτής της αλληλεπίδρασης αντανακλώνται στις προκύπτουσες ιδιότητες της υπερκαινοφανούς εκρήξεως και αρκετά αργότερα στο σχηματιζόμενο υπόλειμμα υπερκαινοφανούς εκρήξεως. Συνεπώς, αντιστρέφοντας αυτή τη λογική ακολουθία, η ταυτοποίηση ιχνών περιαστρικής αλληλεπίδρασης στις παρατηρούμενες ιδιότητες των υπερκαινοφανών εκρήξεων και των υπολειμμάτων αυτών, μπορεί να παράσχει σημαντική πληροφορία σχετικά με τις ιδιότητες του περιβάλλοντος μέσου γύρω από το σημείο της έκρηξης και κατά συνέπεια σχετικά με τη φύση και την εξέλιξη του αστρικού προγεννήτορα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην παραπάνω μέθοδο, όπου και μελετάται ένα πλήθος νέων υπολειμμάτων υπερκαινοφανών εκρήξεων, που προκύπτουν από εκρήξεις τύπου Ια, και εμφανίζουν ενδείξεις αλληλεπίδρασης με περιαστικές δομές. Μέσω λεπτομερών υδροδυναμικών προσομοιώσεων, επιχειρείται η αποκωδικοποίηση της πληροφορίας που περιέχεται στις σχετικές παρατηρήσεις και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη φύση των προγγενητόρων τους. Η διατριβή αποτελείται από πέντε κεφάλαια:1: Εισαγωγή, 2: Το αποτύπωμα ενός συμβιωτικού διπλού συστήματος στις ιδιότητες του υπολείμματος της υπερκαινοφανούς εκρήξεως του Kepler. 3: Μοντελοποιώντας την αλληλεπίδραση υπολειμμάτων θερμοπυρηνικών εκρήξεων με περιαστρικές δομές: Η περίπτωση του υπολείμματος υπερκαινοφανούς εκρήξεως του Τycho. 4: Οι πολλές όψεις του RCW 86: μία υπερκαινοφανής έκρηξη που εξελίσσεται εντός της περιοχής αστρικού ανέμου του προγεννήτορα. 5: Πρώιμη ακτινοβολία ακτίνων Χ από τις υπερκαινοφανείς εκρήξεις Τύπου Ια που προκύπτουν από συμβιωτικά αστρικά συστήματα και επαναλαμβανόμενους καινοφανείς αστέρες. Τα κεφάλαια 2-5 έχουν δημοσιευτεί σε επιστημονικά περιοδικά με κριτές.