Les supernovæ par effondrement gravitationnel et leurs progéniteurs

by Sergey Lisakov

Doctoral thesis in Astrophysique

Under the supervision of Luc Dessart and Thierry Lanz.

defended on 20-11-2018

in Côte d'Azur , under the authority of École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , in a partnership with Université de Nice (établissement de soutenance) , Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes) (laboratoire) , Observatoire de la Côte-d'Azur (laboratoire) , : Joseph Louis LAGRANGE (laboratoire) and Observatoire de la Côte d'Azur (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Core-collapse supernovae and their progenitors


  • Abstract

    Dedicated SN searches started over 100 years ago. Over that time, astronomers have collected large sets of observational data. They have developed detailed classification and achieved general agreement on the nature of these events. Nevertheless, a lot of questions remain unanswered. In short, most Type II SNe (hydrogen-rich SNe) are terminal explosions of red supergiant (RSG) stars. The main source of knowledge about these objects are the way their luminosity changes with time (`light curves') and how their radiation is distributed in wavelength. One of the widely used methods to extract the information from the observational data is computer modelling. The largest part of our work lays in the numerical simulations. In Chapter 1 (Introduction), we present succinctly the necessary theory which includes stellar evolution, explosion physics and ejecta evolution. We discuss different types of SNe; the modern knowledge on CCSNe and its problems. We discuss stellar evolution theory. We describe the nucleosynthesis that takes place in the cores of massive stars and gives rise to their final chemical stratification. We describe our numerical approach in Chapter 2 (Supernova modelling). It includes three major steps: stellar evolution modelling, explosion of the resulting RSG star, and ejecta evolution modelling. We present modelled structure of RSG stars; these models and computational techniques are similar to models used in subsequent chapters. We then discuss our numerical methods of exploding a SN once its degenerate core starts collapsing. We discuss explosive nucleosynthesis and its impact on the progenitor composition, production of unstable isotopes and the basic physics of radioactive decay. In Chapter 3 (Observational properties), we discuss the photometric and spectral observational properties of core-collapse SNe. We extract statistical properties of the existing sample. Using the presented technique, we performed a detailed study of the well observed object SN 2008bk (Chapter 4). We are able to constrain its progenitor and explosion properties. Our modelling allows us to compare not only the basic properties such as luminosity, but also to analyze in detail the spectral features, such as line identification and morphology. We show that a 12 M⊙ star on the main sequence is a good candidate for the progenitor of SN 2008bk. Also we discuss the asymmetric shape of the Hα line and conclude that it stems from the overlap with the strong Ba II 6596.9 Å line. SN 2008bk, together with about 20 objects, form a subclass of low-luminosity CCSNe Type II. We devoted a particular attention to this class of objects, whose uniformity and observational data allows us to draw important conclusions. In Chapter 5 (Low-luminosity Type II-P SNe), we study the sample of 17 low-luminosity SNe and analyze the possibility that these events are the result of explosions of low- and high-mass progenitors. There is no solid agreement in the astronomical community on the possible progenitors of the low-luminosity explosions of Type II SNe. Our analysis shows that lower-mass massive stars (~12 M⊙) are good candidates for the progenitors of this subclass of SNe. Moreover, our simulations of high-mass stars (25 and 27 M⊙) show that such low brightness of the explosion of such a massive object would have notable observational properties which are not present in the data. In Chapter 6 (Kinetic energy variation), we extend our study further on the whole class of hydrogen-rich core-collapse SN, using more energetic models than in Chapters 4 and 5. We provide evidences that what differentiates the diversity of SNe II is the explosion energy rather than the ejecta mass (or H-rich envelope mass of the progenitor).


  • Abstract

    Les recherches de SNe ont commencé il y a plus de 100 ans. Depuis, il a été possible de collecter beaucoup de données d'observations astronomiques. Les astronomes ont développé une classification détaillée et ont abouti un relatif consensus sur la nature physique de ces événements très différents. Néanmoins, beaucoup de questions restent sans réponse. En résumé, les supernovæ de type II (riche en hydrogène) résultent de l'éjection l'enveloppe des supergéantes rouges (SGR). Les principales sources de connaissance sur ces objets sont l'évolution de leur luminosité en fonction du temps (`courbes de lumière') et leurs spectres observés à différentes époques. La méthode la plus utilisée pour extraire les informations des données d'observation est la modélisation des courbes de lumières et des spectres des supernovæ. Dans le Chapitre 1 (Introduction), nous présentons successivement l’évolution stellaire, la physique des explosions et l’évolution des éjectas. Nous décrivons aussi les différents types de supernova ; l’état actuel des connaissances sur les CCSNe ainsi que ces limitations. Nous discutons de la théorie de l'évolution stellaire. Nous décrivons notre approche numérique au Chapitre 2 (Supernova modelling). Elle consiste en trois étapes principales : la modélisation de l'évolution stellaire, l'explosion de l'étoile SGR résultante, et la modélisation de l'évolution des éjectas. Nous présentons la structure modélisée des étoiles SGR ; ces modèles et techniques de calcul sont similaires aux modèles utilisés dans les chapitres suivants. Nous discutons notre méthode d'explosion d'un progéniteur quand son noyau dégénéré commence à s'effondrer. Dans le Chapitre 3 (Observational properties), nous discutons les propriétés observées en photométrie et spectroscopie des CCSNe. Nous extrayons les propriétés statistiques de l'échantillon existant. En utilisant la technique présentée, nous avons effectué une étude détaillée de SN 2008bk, une supernova bien observée (Chapitre 4). Nous pouvons contraindre les propriétés du progéniteur et des paramètres d'explosion. Notre modélisation nous permet de comparer non seulement les propriétés de base telles que la luminosité, mais aussi à analyser en détail les caractéristiques spectrales, telles que la présence de certaines raies spectrales ainsi que leur morphologie. Nous montrons qu'une étoile de 12M⊙ sur la séquence principale est un bon candidat au progéniteur de SN 2008bk. Aussi, nous discutons de la forme asymétrique de la raie Hα et concluons qu'elle provient du chevauchement avec la raie forte du Ba II 6596.9 Å. SN 2008bk, avec quelques dizaines d'autres objets, forme une sous-classe importante de CCSNe — supernovae à faible luminosité. Nous avons consacré une attention particulière à cette classe d'objets, dont l'uniformité et les données d'observation nous permet de tirer des conclusions importantes. Au Chapitre 5, nous étudions l'échantillon de 17 SNe de faible luminosité et analysons la possibilité que ces événements résultent d'explosions de progéniteurs de petite ou de grande masse. Il n'y a pas d'accord solide dans la communauté astronomique sur les progéniteurs possibles des explosions de SNe à faible luminosité. Notre analyse montre que les étoiles massives de masse inférieure (~12 M⊙) sont de bons candidats pour les progéniteurs de cette sous-classe de SNe. De plus, nos simulations d'étoiles de masse élevée (25 et 27 M⊙) montrent qu'une explosion ayant une luminosité aussi faible aurait des propriétés d’observation remarquables qui ne sont pas présentes dans les données. Dans le Chapitre 6, nous étendons notre étude sur toutes les CCSNe, en utilisant des modèles plus énergétiques que dans les Chapitres 4 et 5. Nous fournissons des preuves que ce qui différencie la diversité de SNe II est l'énergie d'explosion plutôt que la masse des éjectas (ou plus précisément la masse de l'enveloppe riche en H de progéniteur).


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