[論文レビュー] A Multiple Ejecta-Circumstellar Meduim Interaction Model and Its Implications for the Superluminous Supernova iPTF15esb

Liang-Duan Liu, Ling‐Jun Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、水素が乏しい超白色超新星 iPTF15esb の二重ピーク光曲線および広帯域 Hα線幅を説明するため、複数の噴出物-周囲星間物質（CSM）相互作用モデルを提案する。このモデルは、三つの離散的な質量放出イベント（二つのシェルと一つのウィンド）を含み、それらが超新星噴出物と順次相互作用することで、観測された光曲線および温度変化を再現する。これは、爆発以前に少なくとも三度の激しい前身星の噴出が存在したことを示唆している。

ABSTRACT

Recently, a hydrogen-poor superluminous supernova (SLSN) iPTF15esb at redshift $z=0.224$ was reported, whose light curve (LC) and spectrum show several unusual characteristics. Its late-time spectrum shows a strong, broad H$α$ emission line and the bolometric LC exhibits two peaks and a post-peak plateau. Here we propose an ejecta-circumstellar medium (CSM) interaction model involving multiple shells and winds to explain this double-peak SN. We find that the theoretical LC reproduced by this model can well match the observations of iPTF15esb. Based on this result, we infer that the progenitor has undergone at least three violent mass-loss processes before the SN explosion. Furthermore, we find that the masses of the CSM wind and shells from the outermost shell (the first eruption) to the innermost wind (the final eruption) decrease sequentially but their densities increase. The variation trend of the inferred densities of the shells and wind is consistent with the stellar structure before an SN explosion. Further investigations for similar SLSNe would provide a probe for the mass-loss history of their progenitors.

研究の動機と目的

• 標準的なエネルギー源モデルでは説明できない、二つの明るいピークとピーク後のプラトーを示す iPTF15esb の異常な光曲線を説明すること。
• 超新星噴出物と事前に存在する周囲星間シェル／ウィンドとの複数の相互作用が、観測された全波長光曲線および温度変化を再現可能かどうかを調査すること。
• 特に後期に観測された広帯域 Hα 線幅に着目し、光曲線およびスペクトル的特徴から前身星の質量放出歴を推定すること。
• 推定された CSM の性質（質量、密度、半径）が星の内部構造および既知の前身星進化モデルと整合するかどうかを検証すること。
• 水素を豊富に含む周囲星間物質を有する超白色超新星の前身星進化を理解するうえで、このモデルが示す意味を検討すること。

提案手法

• 標準的な単一シェルの噴出物-CSM 相互作用モデルを一般化し、異なる噴出時刻および質量を持つ複数のシェルおよびウィンドを含める。
• 各相互作用からの前方波および逆方向波のダイナミクスをモデル化し、運動エネルギーの変換によってエネルギーの堆積と光度を計算する。
• CSM の半径依存性を記述するため、二重パワーロー密度プロファイルを用いる。
• Yan ら (2017) の観測データに理論的光曲線および黒体温度の変化をフィットさせる。CSM の質量、噴出時刻、速度などのパラメータを調整する。
• 観測された Hα 線幅を制約として、外側の CSM シェルが約 10^15 cm の位置にあり、爆発の約 15.5 年前に放出されたと特定する。
• 一定のウィンド速度（1000 km/s）およびシェル速度（100 km/s）を仮定し、質量放出率および光学厚さを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の噴出物-CSM 相互作用モデルは、iPTF15esb の二重ピーク光曲線およびプラトーを説明可能か？
• RQ2 観測された光曲線の特徴を再現するためには、前身星の質量放出イベントはいくつで、いつ発生した必要があるか？
• RQ3 推定された CSM シェルおよびウィンドの性質（質量、密度、半径）は、星の内部構造および既知の前身星進化モデルと整合するか？
• RQ4 この相互作用モデルは、後期スペクトルで観測された広帯域 Hα 線幅をどのように説明できるか？
• RQ5 このモデルは、前身星の質量放出率およびウィンド速度にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 複数の噴出物-CSM 相互作用モデルは、iPTF15esb の全波長光曲線および温度変化を成功裏に再現し、二つのピークと 40 日間のプラトーを正確に再現した。
• このモデルには、少なくとも三つの明確に区別できる質量放出イベントが必要である：外側から 15.5、6.9、0.03 年前にそれぞれ発生した二つのシェルと一つのウィンド。
• CSM シェルの質量は外側から 0.40 M☉（外側）から 1.45 M☉（内側）へ減少するが、密度は増加しており、前身星の内部星の構造と整合的である。
• 1000 km/s の速度を仮定した場合、推定されるウィンド質量放出率は約 0.43 M☉ yr⁻¹ であり、これは Wolf-Rayet 星に特徴的な極めて高い質量放出率を示している。
• 最初のピークはウィンドとの相互作用によって駆動されており、二番目のピークとプラトーは二つの外側シェルとの相互作用によって生じている。
• 広帯域 Hα 線幅は、約 10^15 cm の大半径での相互作用に一致しており、これは爆発の 15.5 年前に放出された外側シェルに対応する。