Gamma emission from type Ia supernovae: simulation, analysis and detection

Abstract

Les supernoves (SNe) són poderoses explosions estel·lars que marquen el final de la vida d’algunes estrelles. Les supernoves de tipus Ia (SNe Ia) són un tipus de SNe creades per una combustió termonuclear en una nana blanca. Aquesta tesi està dedicada a l’estudi de les SNe Ia i la seva emissió de raigs gamma amb l’objectiu d’estudiar com podem millorar el coneixement sobre aquest fenomen. En el primer capítol, fem una explicació general de les SNe, centrant-nos en les SNe Ia. Expliquem què sabem actualment sobre aquest tipus de SNe i quines són les hipòtesis que intenten explicar el seu mecanisme d’explosió i sistema progenitor. Expliquem que els raigs gamma de SNe Ia poden funcionar com a eines de diagnòstic. El segon capítol descriu com creem un codi que simula el transport de fotons gamma durant la fase d’expansió de les SNe Ia en un sistema de coordenades cartesianes 3D. El codi es basa en les tècniques de Montecarlo i la teoria dels paquets d’energia indivisibles. L’objectiu del codi és simular els observables sintètics d’escenaris teòrics de SNe Ia. En el tercer capítol, simulem diversos escenaris de SNe Ia amb diferents composicions i asimetries per analitzar els seus observables sintètics. Els experiments es centren en col·locar 56Ni a diferents llocs del domini i a crear asimetries. Els resultats mostren com una línia de visió favorable permet distingir les seves signatures en els primers dies fins al dia ~35. Els experiments amb 56Ni a prop de la superfície mostren línies d’emissió aproximadament 15 dies després de l’explosió. A més, la línia de 0,158 MeV ens permet determinar si 56Ni es trobava a la superfície del model. Les corbes de llum dels models amb 56Ni a prop de la superfície tenen un augment ràpid del seu flux. En particular, la prova amb un plomall exterior de 56Ni mostra un pic al voltant del 9è dia, que coincideix amb el promig de vida de la desintegració del 56Ni. Les proves amb 48Cr mostren línies del seu nucli en el quals es desintegra, 48V, al dia ~15. Especialment, les línies de 0,983 MeV i 1,312 MeV. Les corbes de llum dels models amb 48Cr mostren un augment i un descens més ràpids que els que no en tenen. Finalment, en el darrer capítol descrivim un anàlisi detallat que estudia la sensibilitat del ACS de l’espectròmetre SPI a bord de l’observatori espacial INTEGRAL per detectar l’emissió precoç de raigs gamma d’una SN galàctica Ia en funció del model d’explosió, la distància i la direcció on apunta. Els resultats suggereixen que la detecció és possible entre el 6é i 12é dia després de l’explosió i, al mateix temps, podem descartar qualsevol explosió oculta al llarg de la vida de la missió.

Las supernovas (SNe) son poderosas explosiones estelares que marcan el fin de la vida de algunas estrellas. Las supernovas de tipo Ia (SNe Ia) son un tipo de SNe creadas por una combustión termonuclear en una enana blanca. Esta tesis está dedicada al estudio de las SNe Ia y su emisión de rayos gamma con el objetivo de estudiar cómo mejorar el conocimiento sobre este fenómeno. En el primer capítulo, hacemos una explicación general de las SNe, centrándonos en las SNe Ia. Explicamos qué sabemos actualmente sobre este tipo de SNe y cuáles son las hipótesis que intentan explicar su mecanismo de explosión y su sistema progenitor. Explicamos que los rayos gamma de SNe Ia pueden funcionar como herramientas de diagnóstico. El segundo capítulo describe cómo creamos un código que simula el transporte de fotones gamma durante la fase de expansión de las SNe Ia en un sistema de coordenadas cartesianas 3D. El código se basa en las técnicas de Montecarlo y la teoría de paquetes de energía indivisibles. El objetivo del código es simular los observables sintéticos de escenarios teóricos de SNe Ia. En el tercer capítulo, simulamos varios escenarios de SNe Ia con diferentes composiciones y asimetrías para analizar sus observables sintéticos. Los experimentos se centran en colocar 56Ni en diferentes lugares del dominio y en crear asimetrías. Los resultados muestran cómo una línea de visión favorable permite distinguir sus firmas en los primeros días hasta el día ~35. Los experimentos con 56Ni cerca de la superficie muestran líneas de emisión aproximadamente 15 días después de la explosión. Además, la línea de 0,158 MeV nos permite determinar si 56Ni se encontraba en la superficie del modelo. Las curvas de luz de los modelos con 56Ni cerca de la superficie tienen un aumento rápido de su flujo. En particular, la prueba con una pluma exterior de 56Ni muestra un pico alrededor del 9º día, que coincide con el promedio de vida de la desintegración del 56Ni. Las pruebas con 48Cr muestran líneas de el núcleo en el que se desintegra, 48V, al día ~15. Especialmente, las líneas de 0,983 MeV y 1,312 MeV. Las curvas de luz de los modelos con 48Cr muestran un aumento y un descenso más rápidos que los que no lo tienen. Finalmente, en el último capítulo describimos un análisis detallado que estudia la sensibilidad del ACS del espectrómetro SPI a bordo del observatorio espacial INTEGRAL para detectar la emisión precoz de rayos gamma de una SN galáctica Ia en función del modelo de explosión, la distancia y la dirección donde apunta. Los resultados sugieren que la detección es posible entre el 6º y 12º día después de la explosión y, al mismo tiempo, podemos descartar cualquier explosión oculta a lo largo de la vida de la misión.

Supernovae (SNe) are powerful stellar explosions that highlight the end of the life of some stars. Type Ia supernovae (SNe Ia) are a type of SNe originated by thermonuclear runaway in a white dwarf. This thesis is devoted to the study of SNe Ia and their gamma-ray emission with the goal to study how to improve the knowledge about this phenomenon. In the first chapter, we make an overview of SNe, focusing in SNe Ia. We explain what we currently know about these type of SNe and which are the hypothesis that try to explain their explosion mechanism and progenitor system. We explain that gamma-rays from SNe Ia can work as diagnostic tools. The second chapter describes the creation of a code that simulate the transport of gamma photons during the expansion phase of SN Ia in a 3D Cartesian grid. The code is based in Monte Carlo’s techniques and the theory of indivisible energy packets. The goal of the code is to simulate the synthetic observables of theoretical scenarios of SNe Ia. In the third chapter, we simulate multiple scenarios of SNe Ia with different composition and asymmetries to analyse their synthetic observables. The experiments focus on placing 56Ni on different locations of the ejecta and creating asymmetries. The results show how a favourable line of sight allows to distinguish their signatures at early days until day ~35. The experiments with 56Ni close to the surface display emission lines at ~15 days after the explosion. Moreover, the 0.158 MeV line allows us to determine if 56Ni was in the surface of the model. The light curves of models with 56Ni close to the surface have a rapid rise of their flux. In particular, the test with an outer plume of 56Ni displays a peak around the ~9th day, which agrees with the mean lifetime decay of 56Ni. The tests with 48Cr display lines from its daughter nucleus, 48V, at day ~15. Especially, 0.983 MeV and 1.312 MeV lines. The light curves of the models with 48Cr display a faster rise and a faster decline than the ones without. Finally, in the last chapter we describe a detailed analysis that studies the sensitivity of the anticoincidence system (ACS) of the spectrometer SPI on board of the INTEGRAL space observatory for detecting the early gamma-ray emission of a galactic SN Ia as a function of the explosion model, distance and pointing direction. The results suggest that the detection is possible at about 6 - 12 days after the explosion and, at the same time, we can discard missing any hidden explosion during the lifetime of the mission.