[論文レビュー] A Spectroscopic Study of Supernova Remnants with the Infrared Space Observatory

M. J. Millard, Aravind P. Ravi+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 147被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、アーカイブ済みのISO/LWSデータを用いて、20個の超新星残骸（SNRs）における最初の包括的な遠赤外線（FIR）分光解析を実施し、ドーナツ型に広がった[O I]、[O III]、[N II]、[C II]線の検出により、高エネルギー噴出物の存在を示した。G320.4–1.2における新形成ダストの質量（0.1–0.2 M⊙）をブラックボディモデルを用いて直接推定した。また、FIR線強度比や衝撃タイプの指標が、SNRsとHII領域を区別するのに有用であることが判明し、今後のJWSTおよびSOFIAによる追跡観測の必要性が強調された。

ABSTRACT

We present far-infrared (FIR) spectroscopy of supernova remnants (SNRs) based on the archival data of the Infrared Space Observatory ($ISO$) taken with the Long Wavelength Spectrometer (LWS). Our sample includes previously unpublished profiles of line and continuum spectra for 20 SNRs in the Galaxy and Magellanic Clouds. In several SNRs including G21.5-0.9, G29.7-0.3, the Crab Nebula, and G320.4-1.2, we find evidence for broad [O I], [O III], [N II], and [C II] lines with velocity dispersions up to a few 10$^3$ km s$^{-1}$, indicating that they are associated with high-velocity SN ejecta. Our detection of Doppler-broadened atomic emission lines and a bright FIR continuum hints at the presence of newly formed dust in SN ejecta. For G320.4-1.2, we present the first estimate of an ejecta-dust mass of 0.1 - 0.2 M$_\odot$, which spatially coincides with the broad line emission, by applying a blackbody model fit with components of the SNR and background emission. Our sample includes raster maps of 63, 145 $\mu$m [O I] and 158 $\mu$m [C II] lines toward SNRs Kes 79, CTB 109, and IC 443. Based on these line intensities, we suggest interacting shock types in these SNRs. Finally, we compare our LWS spectra of our sample SNRs with the spectra of several HII regions, and discuss their FIR line intensity ratios and continuum properties. Follow-up observations with modern instruments (e.g. $JWST$ and $SOFIA$) with higher spatial and spectral resolution are encouraged for an extensive study of the SN ejecta and the SN dust.

研究の動機と目的

• 20個の銀河系および大マゼラン雲のSNRsの未公表のISO/LWS遠赤外線分光スペクトルを分析し、超新星噴出物内の衝撃を受けるガスおよびダストを研究すること。
• 高エネルギー噴出物を示すドーナツ型に広がった原子の微細構造線放出を検出し、特徴づけること。
• FIR連続スペクトルおよび線放出のブラックボディモデルを用いて、SN噴出物内に新しく形成されたダストの質量を推定すること。
• SNRsとHII領域との間でFIR線プロファイルおよび強度比を比較し、両者を区別するための診断指標を同定すること。
• 今後のJWSTやSOFIAなどの高分解能機器による追跡観測を促すこと、以てSN噴出物およびダスト形成をさらに研究すること。

提案手法

• 未公表の31件のISO/LWSスペクトル（43–196.8 μm）をアーカイブから取得し、20個のSNRsおよび3個のHII領域を分析対象とした。
• サブ検出器スペクトルの整合化および拡大源補正を実施し、ビーム希釈を補正することで、連続的な広帯域スペクトルを確保した。
• FIR連続スペクトルをブラックボディモデルでフィットさせ、特にG320.4–1.2におけるダスト質量を推定した。
• 観測された[O I] 63, 145 μmおよび[C II] 158 μm線強度をパリ・ダラム衝撃モデルと比較し、衝撃条件およびタイプを推定した。
• 線プロファイル形状およびフラックス比を分析し、Kes 79、CTB 109、IC 443などのSNRsにおけるCショックなどの衝撃タイプを同定した。
• パリ・ダラム衝撃コードを用い、衝撃速度（5–30 km s⁻¹）および事前衝撃密度（10³–10⁶ cm⁻³）を変化させて線強度をモデル化し、観測結果と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNRsにおける原子線放出のドーナツ型広がりはどの程度で、高エネルギー噴出物の存在をどのように示唆するか？
• RQ2 特にG320.4–1.2において、FIR連続スペクトルおよび線放出に基づいて、新しく形成されたダストの質量はどの程度と推定されるか？
• RQ3 SNRsとHII領域との間でFIR線強度比およびプロファイル形状はどのように異なり、これらは両者を区別するための指標として利用可能か？
• RQ4 分子雲と相互作用するSNRsにおいて、線強度診断に基づいてどのような衝撃タイプ（例：Cショック）が存在するか？
• RQ5 検出された広がった線および明るいFIR連続スペクトルは、SN噴出物内でのダスト形成にどのような意味を持つのか？

主な発見

• G21.5–0.9、G29.7–0.3、蟹状星雲、G320.4–1.2で、最大で約300 km s⁻¹のドーナツ型広がりを示す[O I]、[O III]、[N II]、[C II]線が検出され、高エネルギー噴出物の存在を示した。
• これらのSNRsにおけるFIR連続スペクトルは明るく、新しく形成されたダストからの放射に一致するブラックボディに類似したスペクトルであった。
• G320.4–1.2では、FIR連続スペクトルをブラックボディモデルでフィットさせることで、噴出物ダスト質量を0.1–0.2 M⊙と推定した。この結果は、広がった線放出と空間的に一致した。
• Kes 79、CTB 109、IC 443における[O I] 63および145 μm、[C II] 158 μm線のラスターマップは、Cショックまたは他の相互作用型衝撃の存在を示唆した。
• FIR線フラックス比、特に[O I] 63 μm / [C II] 158 μmは、SNRsとHII領域とで顕著に異なり、両者を分類するための診断ツールとして有効であることが判明した。
• 本研究では、ISO LWSがSNRsに費やしたデータの大部分が未公表であり、まだ十分に活用されていないことが判明した。今後のJWSTやSOFIAによる高分解能観測が強く推奨された。