Fireballs, flares, and flickering: A semianalytic, LTE, explosive model from accretion disks to supernovae

We derive simple analytic expressions for the continuum light curves and spectra of flaring and flickering events that occur over a wide range of astrophysical systems. We compare these results to data taken from the cataclysmic variable SS Cygni and also from SN 1987A, deriving physical parameters for the material involved. Fits to the data indicate a nearly time-independent photospheric temperature arising from the strong temperature dependence of opacity when hydrogen is partially ionized.

Transition redshift: new kinematic constraints from supernovae

The transition redshift (deceleration/acceleration) is discussed by expanding the deceleration parameter to first order around its present value. A detailed study is carried out by considering two different parametrizations, q = q(0) + q(1)z and q = q(0) + q(1)z(1 + z)(-1), and the associated free parameters (q(0), q(1)) are constrained by three different supernovae (SNe) samples. A previous analysis by Riess et al. using the first expansion is slightly improved and confirmed in light of their recent data (Gold07 sample). However, by fitting the model with the Supernova Legacy Survey (SNLS) type Ia sample, we find that the best fit to the redshift transition is z(t) = 0.61, instead of z(t) = 0.46 as derived by the High-z Supernovae Search (HZSNS) team. This result based in the SNLS sample is also in good agreement with the sample of Davis et al., z(t) = 0.60(-0.11)(+0.28) (1 sigma). Such results are in line with some independent analyses and accommodate more easily the concordance flat model (Lambda CDM). For both parametrizations, the three SNe Ia samples considered favour recent acceleration and past deceleration with a high degree of statistical confidence level. All the kinematic results presented here depend neither on the validity of general relativity nor on the matter-energy contents of the Universe.

Galactic outflows and the pollution of the galactic environment by supernovae

We here explore the effects of the SN explosions into the halo of star-forming galaxies like the Milky Way. Successive randomly distributed and clustered SNe explosions cause the formation of hot superbubbles that drive either fountains or galactic winds above the galactic disk, depending on the amount and concentration of energy that is injected by the SNe. In a galactic fountain, the ejected gas is re-captured by the gravitational potential and falls back onto the disk. From 3D non-equilibrium radiative cooling hydrodynamical simulations of these fountains, we find that they may reach altitudes up to about 5 kpc in the halo and thus allow for the formation of the so called intermediate-velocity-clouds (IVCs) which are often observed in the halos of disk galaxies. The high-velocity-clouds that are also observed but at higher altitudes (of up to 12 kpc) require another mechanism to explain their production. We argue that they could be formed either by the capture of gas from the intergalactic medium and/or by the action of magnetic fields that are carried to the halo with the gas in the fountains. Due to angular momentum losses to the halo, we find that the fountain material falls back to smaller radii and is not largely spread over the galactic disk. Instead, the SNe ejecta fall nearby the region where the fountain was produced, a result which is consistent with recent chemical models of the galaxy. The fall back material leads to the formation of new generations of molecular clouds and to supersonic turbulence feedback in the disk. (C) 2009 COSPAR. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Mass varying neutrinos in supernovae

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Probing the cosmic distance-duality relation with the Sunyaev-Zel'dovich effect, X-ray observations and supernovae Ia

Context. The angular diameter distances toward galaxy clusters can be determined with measurements of Sunyaev-Zel'dovich effect and X-ray surface brightness combined with the validity of the distance-duality relation, D-L(z)(1 + z)(2)/D-A(z) = 1, where D-L(z) and D-A(z) are, respectively, the luminosity and angular diameter distances. This combination enables us to probe galaxy cluster physics or even to test the validity of the distance-duality relation itself. Aims. We explore these possibilities based on two different, but complementary approaches. Firstly, in order to constrain the possible galaxy cluster morphologies, the validity of the distance-duality relation (DD relation) is assumed in the Lambda CDM framework (WMAP7). Secondly, by adopting a cosmological-model-independent test, we directly confront the angular diameters from galaxy clusters with two supernovae Ia (SNe Ia) subsamples (carefully chosen to coincide with the cluster positions). The influence of the different SNe Ia light-curve fitters in the previous analysis are also discussed. Methods. We assumed that eta is a function of the redshift parametrized by two different relations: eta(z) = 1 +eta(0)z, and eta(z) = 1 + eta(0)z/(1 + z), where eta(0) is a constant parameter quantifying the possible departure from the strict validity of the DD relation. In order to determine the probability density function (PDF) of eta(0), we considered the angular diameter distances from galaxy clusters recently studied by two different groups by assuming elliptical and spherical isothermal beta models and spherical non-isothermal beta model. The strict validity of the DD relation will occur only if the maximum value of eta(0) PDF is centered on eta(0) = 0. Results. For both approaches we find that the elliptical beta model agrees with the distance-duality relation, whereas the non-isothermal spherical description is, in the best scenario, only marginally compatible. We find that the two-light curve fitters (SALT2 and MLCS2K2) present a statistically significant conflict, and a joint analysis involving the different approaches suggests that clusters are endowed with an elliptical geometry as previously assumed. Conclusions. The statistical analysis presented here provides new evidence that the true geometry of clusters is elliptical. In principle, it is remarkable that a local property such as the geometry of galaxy clusters might be constrained by a global argument like the one provided by the cosmological distance-duality relation.

Constraining the dark energy and smoothness parameter with type Ia supernovae and gamma-ray bursts

The existence of inhomogeneities in the observed Universe modifies the distance-redshift relations thereby affecting the results of cosmological tests in comparison to the ones derived assuming spatially uniform models. By modeling the inhomogeneities through a Zeldovich-Kantowski-Dyer-Roeder approach which is phenomenologically characterized by a smoothness parameter alpha, we rediscuss the constraints on the cosmic parameters based on type Ia supernovae (SNe Ia) and gamma-ray bursts (GRBs) data. The present analysis is restricted to a flat Lambda CDM model with the reasonable assumption that Lambda does not clump. A chi(2) analysis using 557 SNe Ia data from the Union2 compilation data (R. Amanullah et al., Astrophys. J. 716, 712 (2010).) constrains the pair of parameters (Omega(m), alpha) to Omega(m) = 0.27(-0.03)(+0.08) (2 sigma) and alpha >= 0.25. A similar analysis based only on 59 Hymnium GRBs (H. Wei, J. Cosmol. Astropart. Phys. 08 (2010) 020.) constrains the matter density parameter to be Omega(m) = 0.35(-0.24)(+0.62) (2 sigma) while all values for the smoothness parameter are allowed. By performing a joint analysis, it is found that Omega(m) = 0.27(-0.06)(+0.06) and alpha >= 0.52. As a general result, although considering that current GRB data alone cannot constrain the smoothness alpha parameter, our analysis provides an interesting cosmological probe for dark energy even in the presence of inhomogeneities.

Type Ia Supernovae : Homogeneity and Diversity

The use of type Ia supernovae as distance estimators has shown that about 75% of the energy content of the universe has a negative equation of state parameter and thus, drives the acceleration of the universe. Constraining the exact nature of this energy is one of the main goals in cosmology. As the statistics of observed high-redshift supernovae increases, systematic effects become the limiting factor to pursue such investigations, thus deeper understanding of the physical properties of SNe is of great importance. In this thesis we investigate spectral homogeneity and diversity of local and high redshift supernovae. Special emphasis has been given to the analysis of optical spectra of local peculiar supernovae 1999aa and 1999ac. The study of the spectra of SN 1999aa pointed out that this SN could be a link between the extreme peculiar SN 1991T and normal SNe. Moreover, the identification of a high velocity component of Ca II and possibly of a low velocity component of C III suggests some degree of asphericity in the ejecta of this supernova. Evidence for a deflagration of a C+O white dwarf was found in the early spectra of SN 1999ac. The spectral proprieties of a vast sample of local SNe are also studied by means of newly introduced spectral indicators. These were used to possibly improve the intrinsic spread of SN peak magnitudes to 0.15 mag, independently of light curve parameters. The first quantitative comparison between local and high redshift supernova is carried out. No evidence for extreme peculiar sub-luminous SNe was found in our data set including 13 SNe with redshift range z=0.279-0.912. Furthermore, SN2002fd (z=0.279) was found to show spectral characteristics similar to SN 1991T/SN 1999aa-like supernovae. We also present a feasibility study of the Hubble diagram in rest frame I-band up to z~0.5, and show the possibility to probe the presence of intergalactic dust, which could possibly mimic the effect of dark energy in the Hubble diagram.

Echtzeitsuche nach Neutrinoausbrüchen von Supernovae mit dem AMANDA-II-Detektor

Der AMANDA-II Detektor ist primär für den richtungsaufgelösten Nachweis hochenergetischer Neutrinos konzipiert. Trotzdem können auch niederenergetische Neutrinoausbrüche, wie sie von Supernovae erwartet werden, mit hoher Signifikanz nachgewiesen werden, sofern sie innerhalb der Milchstraße stattfinden. Die experimentelle Signatur im Detektor ist ein kollektiver Anstieg der Rauschraten aller optischen Module. Zur Abschätzung der Stärke des erwarteten Signals wurden theoretische Modelle und Simulationen zu Supernovae und experimentelle Daten der Supernova SN1987A studiert. Außerdem wurden die Sensitivitäten der optischen Module neu bestimmt. Dazu mussten für den Fall des südpolaren Eises die Energieverluste geladener Teilchen untersucht und eine Simulation der Propagation von Photonen entwickelt werden. Schließlich konnte das im Kamiokande-II Detektor gemessene Signal auf die Verhältnisse des AMANDA-II Detektors skaliert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Algorithmus zur Echtzeit-Suche nach Signalen von Supernovae als Teilmodul der Datennahme implementiert. Dieser beinhaltet diverse Verbesserungen gegenüber der zuvor von der AMANDA-Kollaboration verwendeten Version. Aufgrund einer Optimierung auf Rechengeschwindigkeit können nun mehrere Echtzeit-Suchen mit verschiedenen Analyse-Zeitbasen im Rahmen der Datennahme simultan laufen. Die Disqualifikation optischer Module mit ungeeignetem Verhalten geschieht in Echtzeit. Allerdings muss das Verhalten der Module zu diesem Zweck anhand von gepufferten Daten beurteilt werden. Dadurch kann die Analyse der Daten der qualifizierten Module nicht ohne eine Verzögerung von etwa 5 Minuten geschehen. Im Falle einer erkannten Supernova werden die Daten für die Zeitdauer mehrerer Minuten zur späteren Auswertung in 10 Millisekunden-Intervallen archiviert. Da die Daten des Rauschverhaltens der optischen Module ansonsten in Intervallen von 500 ms zur Verfgung stehen, ist die Zeitbasis der Analyse in Einheiten von 500 ms frei wählbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Analysen dieser Art am Südpol aktiviert: Eine mit der Zeitbasis der Datennahme von 500 ms, eine mit der Zeitbasis 4 s und eine mit der Zeitbasis 10 s. Dadurch wird die Sensitivität für Signale maximiert, die eine charakteristische exponentielle Zerfallszeit von 3 s aufweisen und gleichzeitig eine gute Sensitivität über einen weiten Bereich exponentieller Zerfallszeiten gewahrt. Anhand von Daten der Jahre 2000 bis 2003 wurden diese Analysen ausführlich untersucht. Während die Ergebnisse der Analyse mit t = 500 ms nicht vollständig nachvollziehbare Ergebnisse produzierte, konnten die Resultate der beiden Analysen mit den längeren Zeitbasen durch Simulationen reproduziert und entsprechend gut verstanden werden. Auf der Grundlage der gemessenen Daten wurden die erwarteten Signale von Supernovae simuliert. Aus einem Vergleich zwischen dieser Simulation den gemessenen Daten der Jahre 2000 bis 2003 und der Simulation des erwarteten statistischen Untergrunds kann mit einem Konfidenz-Niveau von mindestens 90 % gefolgert werden, dass in der Milchstraße nicht mehr als 3.2 Supernovae pro Jahr stattfinden. Zur Identifikation einer Supernova wird ein Ratenanstieg mit einer Signifikanz von mindestens 7.4 Standardabweichungen verlangt. Die Anzahl erwarteter Ereignisse aus dem statistischen Untergrund beträgt auf diesem Niveau weniger als ein Millionstel. Dennoch wurde ein solches Ereignis gemessen. Mit der gewählten Signifikanzschwelle werden 74 % aller möglichen Vorläufer-Sterne von Supernovae in der Galaxis überwacht. In Kombination mit dem letzten von der AMANDA-Kollaboration veröffentlicheten Ergebnis ergibt sich sogar eine obere Grenze von nur 2.6 Supernovae pro Jahr. Im Rahmen der Echtzeit-Analyse wird für die kollektive Ratenüberhöhung eine Signifikanz von mindestens 5.5 Standardabweichungen verlangt, bevor eine Meldung über die Detektion eines Supernova-Kandidaten verschickt wird. Damit liegt der überwachte Anteil Sterne der Galaxis bei 81 %, aber auch die Frequenz falscher Alarme steigt auf bei etwa 2 Ereignissen pro Woche. Die Alarm-Meldungen werden über ein Iridium-Modem in die nördliche Hemisphäre übertragen, und sollen schon bald zu SNEWS beitragen, dem weltweiten Netzwerk zur Früherkennung von Supernovae.

Astrophysikalische Bedingungen für einen r-Prozess im Hoch-Entropie-Wind von Typ II Supernovae

Sterne mit einer Anfangsmasse zwischen etwa 8 und 25 Sonnenmassen enden ihre Existenz mit einer gewaltigen Explosion, einer Typ II Supernova. Die hierbei entstehende Hoch-Entropie-Blase ist ein Bereich am Rande des sich bildenden Neutronensterns und gilt als möglicher Ort für den r-Prozess. Wegen der hohen Temperatur T innerhalb der Blase ist die Materie dort vollkommen photodesintegriert. Das Verhältnis von Neutronen zu Protonen wird durch die Elektronenhäufigkeit Ye beschrieben. Die thermodynamische Entwicklung des Systems wird durch die Entropie S gegeben. Da die Expansion der Blase schnell vonstatten geht, kann sie als adiabatisch betrachtet werden. Die Entropie S ist dann proportional zu T^3/rho, wobei rho die Dichte darstellt. Die explizite Zeitentwicklung von T und rho sowie die Prozessdauer hängen von Vexp, der Expansionsgeschwindigkeit der Blase, ab. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit dem Prozess der Reaktionen mit geladenen Teilchen, dem alpha-Prozess. Dieser Prozess endet bei Temperaturen von etwa 3 mal 10^9 K, dem sogenannten "alpha-reichen" Freezeout, wobei überwiegend alpha-Teilchen, freie Neutronen sowie ein kleiner Anteil von mittelschweren "Saat"-Kernen im Massenbereich um A=100 gebildet werden. Das Verhältnis von freien Neutronen zu Saatkernen Yn/Yseed ist entscheidend für den möglichen Ablauf eines r-Prozesses. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem eigentlichen r-Prozess, der bei Neutronenanzahldichten von bis zu 10^27 Neutronen pro cm^3 stattfindet, und innerhalb von maximal 400 ms sehr neutronenreiche "Progenitor"-Isotope von Elementen bis zum Thorium und Uran bildet. Bei dem sich anschliessendem Ausfrieren der Neutroneneinfangreaktionen bei 10^9 K und 10^20 Neutronen pro cm^3 erfolgt dann der beta-Rückzerfall der ursprünglichen r-Prozesskerne zum Tal der Stabilität. Diese Nicht-Gleichgewichts-Phase wird in der vorliegenden Arbeit in einer Parameterstudie eingehend untersucht. Abschliessend werden astrophysikalische Bedingungen definiert, unter denen die gesamte Verteilung der solaren r-Prozess-Isotopenhäufigkeiten reproduziert werden können.

Optimierungen des Nachweises von Supernovae in IceCube

Kernkollaps-Supernovae werden von einem massiven Ausbruch niederenergetischer Neutrinos begleitet. Sie zählen zu den energiereichsten Erscheinungen im Universum und stellen die derzeit einzig bekannte Quelle extrasolarer Neutrinos dar.rnDie Detektion einer solchen Neutrinosignatur würde zu einem tieferen Verständnis des bislang unzureichend bekannten stellaren Explosionsmechanismus führen. rnDarüber hinaus würden neue Einblicke in den Bereich der Teilchenphysik und der Supernova-Modellierung ermöglicht. Das sich zur Zeit am geographischen Südpol im Aufbau befindliche Neutrinoteleskop IceCube wird 2011 fertig gestellt sein.rnIceCube besteht im endgültigen Ausbau aus 5160 Photovervielfachern, die sich in gitterförmiger Anordnung in Tiefen zwischen 1450m und 2450m unter der Eisoberfläche befinden. Durch den Nachweis von Tscherenkow-Photonenrnim antarktischen Gletscher ist es in der Lage, galaktische Supernovae über einen kollektiven Anstieg der Rauschraten in seinen Photonenvervielfachern nachzuweisen.rnIn dieser Arbeit werden verschiedene Studien zur Implementierung einer künstlichen Totzeit vorgestellt, welche korreliertes Rauschen unterdrücken und somit das Signal-Untergund-Verhältnis maximieren würden.rnEin weiterer Teil dieser Dissertation bestand in der Integration der Supernova-Datenakquise eine neue Experiment-Steuerungssoftware.rnFür den Analyseteil der Arbeit wurde ein Monte-Carlo für IceCube entwickelt und Neutinooszillations-Mechanismen und eine Reihe von Signalmodellen integriert. Ein Likelihoodhypothesen-Test wurde verwendet, um die Unterscheidbarkeit verschiedener Supernova- beziehungsweise Neutrinooszillations-Szenarien zu untersuchen. Desweiteren wurde analysiert inwieweit sich Schock-Anregungen und QCD-Phasenübergnag im Verlauf des Explosionsprozesses detektieren lassen.

Supernovae di tipo Ia: Sistemi progenitori e modelli di esplosione

Il lavoro di tesi esamina i plausibili sistemi progenitori per le supernovae di tipo di Ia e analizza i principali modelli di esplosione studiati ed implementati dai gruppi di ricerca per le SNe Ia.

Vincoli cosmologici da supernovae ad alto redshift

Le SNe Ia vengono utilizzate in cosmologia come indicatori di distanza. Nel 1998 due team di ricerca, il Supernova Cosmology Project e l'High-z Supernova Search Team compirono degli studi su un campione di SNe in galassie lontane a z=0.2-0.9. Da questi lavori emerse che le luminosità apparenti erano tipicamente inferiori del 25% rispetto ai valori attesi. Questo indica che tali oggetti si trovano ad una distanza di luminosità superiore a quella prevista da modelli d'Universo dominati da materia. Venne quindi determinata per la prima volta l'evidenza di un Universo in condizione di espansione accelerata. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di analizzare i vincoli cosmologici imposti da SNe Ia ad alto redshift. È stato compiuto uno studio sui moduli di distanza osservativi di un campione di 580 SNe Ia al fine di trovare i parametri cosmologici che meglio descrivono il loro andamento in funzione del redshift nell'ambito dei modelli cosmologici standard con costante cosmologica positiva. Nella prima parte si illustreranno i modelli d’Universo di Friedmann, introducendo i concetti di redshift, di fattore di scala e i vari tipi di distanza. Nella seconda parte si descriverà cosa sono le Supernovae, e in particolare, le SNe di tipo Ia, le proprietà che le rendono candele standard e l'importanza che hanno assunto in cosmologia. Nella terza parte verranno presentanti i risultati prodotti per i due modelli studiati, verrà inoltre discussa la compatibilità con i parametri prodotti nei lavori compiuti dai due team di ricerca.

Supernovae, an accelerating universe and the cosmological constant

Observations of supernova explosions halfway back to the Big Bang give plausible evidence that the expansion of the universe has been accelerating since that epoch, approximately 8 billion years ago and suggest that energy associated with the vacuum itself may be responsible for the acceleration.

Ultraluminous X-ray sources with the SKA

The discovery almost three decades ago of non-nuclear, point-like X-ray sources with X-ray luminosities LX ≥ 3 × 1039 erg s−1 revolutionized the physics of black hole accretion. If of stellar origin, such Ultraluminous X-ray sources (ULXs) would have to accrete at super-Eddington rates in order to reach the observed high X-ray luminosities. Alternatively, ULXs could host sub-Eddington accreting intermediate-mass black holes, which are the long-time sought missing link between stellar and supermassive black holes and the possible seeds of the supermassive black holes that formed in the early Universe. The nature of ULXs can be better investigated in those cases for which a radio counterpart is detected. Radio observations of ULXs have revealed a wide variety of morphologies and source types, from compact and extended jets to radio nebulae and transient behaviours, providing the best observational evidence for the presence of an intermediate-mass black hole in some of them. The high sensitivity of the SKA will allow us to study the faintest ULX radio counterparts in the Local Universe as well as to detect new sources at much larger distances. It will thus perform a leap step in understanding ULXs, their accretion physics, and their possible role as seed black holes in supermassive black hole and galaxy growth.

Type Ia supernovae from violent mergers of carbon-oxygen white dwarfs: polarization signatures

The violent merger of two carbon-oxygen white dwarfs has been proposed as a viable progenitor for some Type Ia supernovae. However, it has been argued that the strong ejecta asymmetries produced by this model might be inconsistent with the low degree of polarization typically observed in Type Ia supernova explosions. Here, we test this claim by carrying out a spectropolarimetric analysis for the model proposed by Pakmor et al. for an explosion triggered during the merger of a 1.1 and 0.9 M⊙ carbon-oxygen white dwarf binary system. Owing to the asymmetries of the ejecta, the polarization signal varies significantly with viewing angle. We find that polarization levels for observers in the equatorial plane are modest (≲1 per cent) and show clear evidence for a dominant axis, as a consequence of the ejecta symmetry about the orbital plane. In contrast, orientations out of the plane are associated with higher degrees of polarization and departures from a dominant axis. While the particular model studied here gives a good match to highly polarized events such as SN 2004dt, it has difficulties in reproducing the low polarization levels commonly observed in normal Type Ia supernovae. Specifically, we find that significant asymmetries in the element distribution result in a wealth of strong polarization features that are not observed in the majority of currently available spectropolarimetric data of Type Ia supernovae. Future studies will map out the parameter space of the merger scenario to investigate if alternative models can provide better agreement with observations.