[論文レビュー] A VLA Survey of Late-time Radio Emission from Superluminous Supernovae and the Host Galaxies

Bunyo Hatsukade, Nozomu Tominaga+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 98被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、23個の超高光度超新星（SLSNe）およびそれらの宿主銀河について、遅刻時3 GHz VLA電波観測を実施し、1つのSLSN（PTF10hgi）および5つの宿主銀河からの電波放射を検出した。非対称ジェット後の光モデルおよび磁気星駆動のパルサー風雲（PWN）モデルを制限し、高エネルギー（Eiso ≳ 数 × 10⁵³ erg）かつ高周囲状態密度（n ≳ 0.01 cm⁻³）のモデルはデータによって除外されたが、低エネルギーまたは低密度のシナリオは依然として妥当であることが判明した。

ABSTRACT

We present the results of 3 GHz radio continuum observations of 23 superluminous supernovae (SLSNe) and their host galaxies by using the Karl G. Jansky Very Large Array conducted 5-21 years after the explosions. The sample consists of 15 Type I and 8 Type II SLSNe at z < 0.3, providing one of the largest sample of SLSNe with late-time radio data. We detected radio emission from one SLSN (PTF10hgi) and 5 hosts with a significance of >5$\sigma$. No time variability is found in late-time radio light curves of the radio-detected sources in a timescale of years except for PTF10hgi, whose variability is reported in a separate study. Comparison of star-formation rates (SFRs) derived from the 3 GHz flux densities with those derived from SED modeling based on UV-NIR data shows that four hosts have an excess of radio SFRs, suggesting obscured star formation. Upper limits for undetected hosts and stacked results show that the majority of the SLSN hosts do not have a significant obscured star formation. By using the 3 GHz upper limits, we constrain the parameters for afterglows arising from interaction between initially off-axis jets and circumstellar medium (CSM). We found that the models with higher energies ($E_{ m iso} \gtrsim$ several $ imes 10^{53}$ erg) and CSM densities ($n \gtrsim 0.01$ cm$^{-3}$) are excluded, but lower energies or CSM densities are not excluded with the current data. We also constrained the models of pulsar wind nebulae powered by a newly born magnetar for a subsample of SLSNe with model predictions in the literature.

研究の動機と目的

• 高感度VLA観測を用いて、超高光度超新星（SLSNe）およびその宿主銀河の遅刻時電波放射を調査すること。
• 電波光曲線およびフラックス上限を用いて、非対称ジェットや磁気星駆動パルサー風雲（PWNe）などの中心エンジンモデルを制限すること。
• UV–NIR SEDモデリングと比較することで、SLSNe宿主銀河における遮蔽された星形成を評価すること。
• 5年から21年後の爆発からの長基線電波データを分析することで、SLSNeのメカニズムをより深く理解すること。

提案手法

• 赤方偏移 z < 0.3 の23個のSLSNeおよびその宿主銀河に対して、カール・G・ジャンスキー・非常に大規模電波望遠鏡（VLA）を用いて3 GHz連続スペクトル観測を実施した。
• 3 GHzデータからの電波フラックス密度を測定し、星形成率（SFR）を導出し、UV–NIR光度測定によるSFRと比較した。
• 3 GHzの上限値を用いて、非対称ジェットの後光モデルを制限し、エネルギー（Eiso）および周囲状態媒体（CSM）密度（n）のパrameter空間を適用した。
• 新生磁気星によって駆動される電子・陽電子PWNモデルの理論的予測と、観測された3 GHz上限値を比較した。
• 検出されなかった宿主銀河をスタックして、より高い感度の上限を導出し、平均的な電波特性を評価した。
• 統計的解析を用いて光曲線の変動を検出し、検出の有意性（>5σ）を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SLSNeおよびその宿主銀河の遅刻時電波放射の性質は何か？
• RQ2 非対称ジェット後の光モデルは観測された電波放射を説明できるか？ そしてデータはそのエネルギーおよびCSM密度にどのような制限を課すか？
• RQ3 電波によるSFRとSEDから導かれたSFRの不一致によって、SLSNe宿主銀河に遮蔽された星形成の証拠があるか？
• RQ4 電波データは、SLSNeの中心エンジンとして磁気星駆動PWNを支持するか？

主な発見

• 1つのSLSN（PTF10hgi）および5つの宿主銀河で、>5σの有意性で電波放射が検出された。遅刻時光曲線では、PTF10hgiを除き有意な変動は観測されなかったが、過去の研究でPTF10hgiに変動が確認された。
• 検出された5つの宿主銀河のうち4つは、SEDから導かれたSFRに比べて過剰な電波SFRを示しており、遮蔽された星形成の可能性を示唆している。
• 検出されなかったSLSNe宿主銀河の大部分は、有意な電波放射を示さず、このサンプルでは遮蔽された星形成が一般的ではないと考えられる。
• 電波上限値により、等価全放射エネルギー Eiso ≳ 数 × 10⁵³ erg かつ周囲状態媒体密度 n ≳ 0.01 cm⁻³ の非対称ジェット後の光モデルは除外されたが、低エネルギーまたは低密度のモデルは依然として妥当である。
• 磁気星駆動PWNモデルに関しては、3 GHzの上限値により6つのSLSNe（PTF09cnd、SN 2007bi、SN 2010kd、SN 2011ke、SN 2012il、SN 2015bn）の予測を制限したが、残りのSLSNe-Iの多くではモデルを除外できない。
• 本研究は、高感度で長期的な電波モニタリングがSLSNeの前身モデルを制限する上で重要であることを示し、今後のSKAやngVLAのような機器の可能性を浮き彫りにした。