Modeling Light Curves of Type Ia Supernovae

Abstract

The main topic of this work is the introduction of time dependence into PHOENIX. This has been achieved for both the radiation field and the matter in the SN Ia model atmosphere. First, time dependence in the radiative transfer equation has been implemented. Two discretization schemes have been used for the implementation of the time derivative. Test calculations have been performed to confirm the correctness of the implementations. The radiation time scale computed with the time dependent radiative transfer is comparable to a simple analytic approach. Perturbations of the inner boundary condition of the atmosphere move through the whole atmosphere. For instance, an atmosphere with a sinusoidally varying inner light bulb leads to an atmosphere where the luminosity varies sinusoidally everywhere. For the next extension of time dependence for the matter, a simple hydrodynamical solver has been implemented. It computes the changes in the energy of an SN Ia atmosphere by considering the homologous expansion, energy transport and the deposition of energy by g -ray emission due to the radioactive decay of 56Ni and 56Co. Test calculations verified that each part of the solver works correctly. The energy deposition heats the atmosphere and increases the observed luminosity, whereas the adiabatic expansion cools the atmosphere. The energy transport always pushes the temperature structure of the atmosphere towards the radiative equilibrium state. The hydrodynamical solver has been applied to calculate SN Ia model light curves. With the assumption of an LTE atmosphere, the model light curves are already in good agreement with the observed light curves of SN 1999ee and SN 2002bo. Some deviations between model and observed light curves occur in the near-infrared. In order to improve the model light curves, a calculation with different energy input has been performed. If more energy is deposited into the atmosphere the model light curves in all bands become brighter. With less energy input, fainter model light curves are the result. However, this did not improve the model light curves in the near-infrared. Three different explosion models have been used to compute model light curves of SNe Ia. The delayed detonation model DD 16 can be eliminated as the correct explosion model as it is too faint to reproduce the observed light curves. The best fits to the observed light curves have been achieved with theW7 deflagration model, while the DD 25 model also delivers reasonable model light curves. It has been shown that scattering in the treatment of radiative transfer is important for the calculation of SN Ia model light curves. Thus, more sophisticated NLTE model light curves have been calculated. At first, the LTE temperature structures have been used. The assumption of NLTE changes themodel light curves in some bands. Significant improvement for the I band model light curve has been achieved. Further model light curves where the temperature structure can adapt to the NLTE conditions have been computed. This increased the computation time dramatically. But no significant improvements compared to the NLTE light curves with fixed LTE temperature structure have been found.

und 56Co entsteht. Testrechnungen f¨ur jeden einzelnen Teil der Implementation wurden durchgef¨uhrt. Der Energiezuwachs f¨uhrt zur Erw¨armung der Atmosph¨are und verst¨arkt die Leuchtkraft, wogegen die adiabatische Expansion die Atmosph¨are abk¨uhlt. Der Energietransport ver¨andert die Temperaturstruktur der Atmosph¨are in Richtung des Strahlungsgleichgewicht. Der hydrodynamische L¨oser wurde zur Berechnung von SN Ia Modelllichtkurven angewendet. Mit der Annahme von LTE in der Atmosph¨are wurden Lichtkurven errechnet, die mit den beobachteten von SN 1999ee und SN 2002bo gut ¨ubereinstimmen. Einige Abweichungen ergeben sich jedoch f¨ur den Nahinfrarot-Bereich. Um die Lichtkurven weiter zu verbessern wurden Berechnungen mit unterschiedlicher Energieeinspeisung durchgef¨uhrt. Mit mehr Energieeinspeisung werden die Lichtkurven zu jeder Zeit heller, bei weniger Energieeinspeisung entsprechend dunkler. Ein Verbesserung der Nahinfrarot-Lichtkurven wurde jedoch nicht erreicht. Drei verschiedene Explosionsmodelle wurden f¨ur die SN Ia Lichtkurvenberechnungen benutzt. Das Modell der verz¨ogerten Detonation DD 16 kann als richtiges Explosionsmodell ausgeschlossen werden. Die Lichtkurven sind zu dunkel um die beobachteten Lichtkurven zu reproduzieren. Die am besten passende Lichtkurve wurde mit dem W7 Deflagrationsmodell erzielt. Das Modell DD 25 erzielt auch gut passende Lichtkurven. Es wurde gezeigt, dass Streuung wichtig f¨ur die Behandlung des Strahlungstransports bei der Berechnung von Modelllichtkurven von SNe Ia ist. Deshalb wurden komplexere NLTE Modelllichtkurven berechnet. Zuerst wurde daf¨ur die Temperaturstruktur der LTE Berechnungen benutzt. Mit der Annahme von NLTE erh¨alt man ¨Anderungen in den Lichtkurven. Dabei wurden erhebliche Verbesserungen in der Lichtkurve im I Band erzielt. Weitere Modelle wurden berechnet, bei denen sich die Temperaturstruktur den NLTE Bedingungen anpassen k¨onnten. Dies erh¨oht die Berechnungszeit gewaltig. Es wurden jedoch kaum