Lars Ma'sson Dark Cosmology Centre In collabora6on with: - PowerPoint PPT Presentation

Lars ¡Ma'sson ¡ Dark ¡Cosmology ¡Centre ¡ ¡ In ¡collabora6on ¡with: ¡ ¡ Anja ¡C. ¡Andersen, ¡Darach ¡Watson, ¡Tayyaba ¡Zafar, ¡(Haley ¡Gomez, ¡Mikako ¡Matsuura) ¡

Large ¡amounts ¡of ¡dust ¡at ¡high ¡redshiJ ¡ Bertoldi ¡et ¡al. ¡(2003, ¡A&A, ¡406, ¡L55), ¡Michalowski ¡et ¡al. ¡(2011) ¡and ¡others…. ¡

Large ¡amounts ¡of ¡dust ¡at ¡high ¡redshiJ ¡ Almost ¡all ¡metals ¡in ¡dust ¡grains? ¡ ¡ Ma'sson ¡(2011, ¡MNRAS, ¡414, ¡781) ¡

Implica6ons ¡of ¡the ¡observa6ons ¡ • Maximum ¡6me ¡to ¡build ¡large ¡dust ¡masses: ¡ <400–500 ¡Myr. ¡ • SNe ¡can ¡produce ¡dust ¡rapidly, ¡but ¡also ¡destroy ¡ dust ¡– ¡A ¡catch ¡22! ¡ • The ¡universe ¡have ¡been ¡at ¡least ¡as ¡dusty ¡and ¡ possibly ¡even ¡more ¡dusty ¡at ¡earlier ¡epochs. ¡ But ¡how? ¡

Supernova ¡dust ¡produc6on ¡efficiency ¡ (Theory) ¡ Similar ¡findings ¡by ¡Nozawa ¡et ¡al. ¡(2003, ¡Apj, ¡) ¡ Mass ¡of ¡dust ¡that ¡ survives ¡the ¡passage ¡of ¡ the ¡reverse ¡shock ¡ in ¡the ¡ejecta, ¡as ¡a ¡func6on ¡ of ¡the ¡ mass ¡of ¡the ¡progenitor ¡ star ¡and ¡of ¡the ¡ density ¡of ¡the ¡surrounding ¡ISM . ¡

Observa6onal ¡limits ¡on ¡SN ¡dust ¡ Very ¡li'le ¡warm ¡dust ¡ observed ¡in ¡SNe, ¡< ¡10 –2 ¡M O ¡ (e.g. ¡Wooden ¡et ¡al. ¡1993, ¡ApJS, ¡88, ¡ Matsuura ¡et ¡al. ¡2011 ¡ 477; ¡Elmhamdi ¡et ¡al. ¡2003, ¡A&A, ¡ 426, ¡963; ¡Kotak ¡et ¡al. ¡2009, ¡ApJ, ¡ 704, ¡306; ¡Meikle ¡et ¡al. ¡2011) ¡ SN1987A ¡ ¡ • A ¡100% ¡dust ¡efficiency. ¡ But ¡controversy ¡over ¡large ¡ • All ¡metals ¡are ¡locked ¡up ¡in ¡ cold ¡dust ¡masses ¡in ¡SNRs… ¡ dust ¡– ¡no ¡free ¡metals ¡to ¡ enter ¡the ¡ISM? ¡ Gall ¡et ¡al. ¡(2011, ¡A&AR, ¡19, ¡43) ¡

Crab ¡Nebula ¡ • Progenitor: ¡9 ¡– ¡13 ¡M sun ¡ (remnant: ¡neutron ¡star) ¡ • Gomez ¡et ¡al. ¡(2012, ¡ApJ, ¡760, ¡96): ¡ – If ¡only ¡C-­‑dust: ¡ ¡ ¡0.13 ¡M sun ¡ (the ¡Crab ¡appears ¡C-­‑rich) ¡ – If ¡only ¡Silicates: ¡ ¡0.25 ¡M sun ¡ • 12 ¡M sun ¡star ¡produces ¡0.6 ¡-­‑ ¡0.7 ¡M sun ¡of ¡metals. ¡ ¡ • Dwek ¡et ¡al. ¡(2007): ¡ ¡M silicates ¡< ¡0.27 ¡M sun ¡ • M C ¡= ¡0.082 ¡M sun ¡→ ¡ ¡M C-­‑dust ¡ < ¡0.082 ¡M sun ¡ ¡

Cold ¡dust: ¡SN ¡1987 ¡A ¡ • Progenitor: ¡15 ¡– ¡20 ¡M sun ¡ • Matsuura ¡et ¡al. ¡(2011, ¡Science, ¡333, ¡1258): ¡ – If ¡only ¡silicates: ¡ ¡ ¡2.4 ¡M sun ¡ – If ¡only ¡C-­‑dust: ¡ ¡ ¡ ¡0.35 ¡M sun ¡ – If ¡C-­‑dust ¡+ ¡silicates: ¡ ¡0.5 ¡– ¡0.7 ¡M sun ¡ • 18 ¡M sun ¡star ¡produces ¡2.0 ¡– ¡2.2 ¡M sun ¡of ¡metals. ¡ ¡ • Dwek ¡et ¡al. ¡(2007): ¡M silicates ¡< ¡0.56 ¡M sun ¡ • M C ¡= ¡0.25 ¡M sun ¡→ ¡ ¡ ¡M C-­‑dust ¡ < ¡0.25 ¡M sun ¡ ¡

SN ¡1987 ¡A ¡ • More ¡elaborate: ¡upper ¡ limit ¡~0.2 ¡M sun . ¡ • The ¡reason ¡is ¡ dust ¡ chemistry . ¡ • S6ll ¡1.2 ¡M sun ¡of ¡ molecules ¡– ¡ices? ¡ Cherchneff ¡(2010, ¡APSC, ¡425, ¡237) ¡ Cherchneff ¡& ¡Dwek ¡(2009, ¡Apj, ¡703, ¡642) ¡

Solu6ons? ¡ Crab: ¡T-­‑distribu6on ¡ SN ¡1987 ¡A: ¡“dirty ¡ice” ¡ Factor ¡of ¡two. ¡ Factor ¡of ¡ten!! ¡ Ma'sson, ¡Andersen, ¡Gomez ¡& ¡Matsuura ¡(2013, ¡in ¡prep.) ¡

Implica6on ¡on ¡dust ¡from ¡SN ¡ theory ¡and ¡observa6ons ¡ • SNe ¡forms ¡most ¡of ¡the ¡elements. ¡ • Theore6cal ¡models ¡predict ¡(significant) ¡dust ¡ forma6on ¡to ¡occur ¡in ¡the ¡remnant. ¡ • Observed ¡masses ¡of ¡cold ¡dust ¡very ¡uncertain: ¡ T-­‑distribu6on, ¡dirty ¡ices? ¡ • Net ¡dust ¡produc?on ¡unclear ¡ as ¡it ¡depends ¡on ¡ the ¡harsh ¡environment, ¡reverse ¡shock, ¡ clumps. ¡

Grain ¡growth ¡in ¡the ¡ISM ¡ Dartois ¡2006, ¡A&A ¡445, ¡959 ¡

Grain ¡growth ¡in ¡the ¡ISM ¡ Dartois ¡2006, ¡A&A ¡445, ¡959 ¡

Grain ¡destruc6on ¡in ¡the ¡ISM ¡ • Shock ¡waves ¡from ¡supernovae ¡induce ¡ spu'ering ¡-­‑> ¡6mescale ¡depends ¡on ¡SN ¡rate! ¡ • Hea6ng ¡may ¡lead ¡to ¡sublima6on. ¡

Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡ Zafar ¡& ¡Watson ¡(2013, ¡in ¡prep.) ¡

Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡ Dust/metals ¡= ¡0.5 ¡± ¡0.2 ¡ Zafar ¡& ¡Watson ¡(2013, ¡in ¡prep.) ¡

Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡ • Dust ¡evolu6on ¡model: ¡ – Simplis6c ¡model ¡of ¡stellar ¡dust ¡produc6on: ¡ ¡Closed ¡ box, ¡constant ¡stellar ¡dust ¡yield. ¡ – Solving ¡the ¡full ¡moment ¡equa6ons ¡for ¡growth ¡and ¡ destruc6on ¡of ¡dust ¡in ¡the ¡ISM. ¡ • Monte ¡Carlo ¡simula6on: ¡ – Genera6on ¡of ¡270000 ¡random ¡“galaxies”. ¡ – Low, ¡medium ¡and ¡high ¡efficiencies ¡of ¡stellar ¡dust ¡ produc6on ¡(yd/yz), ¡ISM ¡growth ¡(fs) ¡and ¡destruc6on ¡ (tau_dd) ¡were ¡tested. ¡ ¡

Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡ All ¡models ¡ 27 ¡ 25 ¡ 23 ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 21 ¡ 15% ¡ 19 ¡ 17 ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 15 ¡ 44% ¡ Series1 ¡ 13 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 11 ¡ 41% ¡ 9 ¡ 7 ¡ 5 ¡ 3 ¡ 1 ¡ 0 ¡ 1000 ¡ 2000 ¡ 3000 ¡ 4000 ¡ 5000 ¡ 6000 ¡ 7000 ¡ 8000 ¡ These ¡two ¡models ¡have ¡yd/yz ¡= ¡0.8 ¡

Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡ yd/ Tau_dd ¡= ¡0.07 ¡Gyr ¡ Tau_dd ¡= ¡0.7 ¡Gyr ¡ Tau_dd ¡= ¡7.0 ¡Gyr ¡ yz ¡= ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 0.2 ¡ 1% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 6% ¡ 31% ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 37% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 34% ¡ 51% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 48% ¡ 60% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ fs ¡= ¡0 ¡ fs ¡= ¡0.5 ¡ fs ¡= ¡1.0 ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 0% ¡ 30% ¡ 29% ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 38% ¡ 39% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 46% ¡ 54% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ 32% ¡

Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡ yd/ Tau_dd ¡= ¡0.07 ¡Gyr ¡ Tau_dd ¡= ¡0.7 ¡Gyr ¡ Tau_dd ¡= ¡7.0 ¡Gyr ¡ yz ¡= ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 0.2 ¡ 1% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 6% ¡ 31% ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 37% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 34% ¡ 51% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 48% ¡ 60% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ fs ¡= ¡0 ¡ fs ¡= ¡0.5 ¡ fs ¡= ¡1.0 ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 0% ¡ 30% ¡ 29% ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 38% ¡ 39% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 46% ¡ 54% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ 32% ¡

Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡ Tau_dd ¡= ¡0.7 ¡Gyr, ¡fs ¡= ¡0.5, ¡1.0 ¡ 27 ¡ 25 ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 23 ¡ 10% ¡ 21 ¡ 19 ¡ 17 ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 15 ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 52% ¡ Series1 ¡ 13 ¡ 38% ¡ 11 ¡ 9 ¡ 7 ¡ 5 ¡ 3 ¡ 1 ¡ 0 ¡ 1000 ¡ 2000 ¡ 3000 ¡ 4000 ¡ 5000 ¡ 6000 ¡ 7000 ¡ 8000 ¡