[論文レビュー] Circumstellar Medium Constraints on the Environment of Two Nearby Type Ia Supernovae: SN 2017cbv and SN 2020nlb

David J. Sand, Sumit K. Sarbadhicary+24 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 192被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、2つの近距離Type Ia超新星、SN 2017cbvおよびSN 2020nlbの深宇宙X線観測を行い、爆発後約16–18日におけるX線放射が検出されず、その上限が ≲5.4×10³⁷ erg s⁻¹であった。これらの上限は、周囲星間媒体（CSM）の質量放出率（Ṁ < 7.2×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹）および数密度（nCSM < 36 cm⁻³）を低く制限し、連星星や顕著な風による質量放出を伴う単一白色矮星起源のモデルの多くを除外する。

ABSTRACT

We present deep Chandra X-ray observations of two nearby Type Ia supernovae, SN 2017cbv and SN 2020nlb, which reveal no X-ray emission down to a luminosity $L_X$$\lesssim$5.3$ imes$10$^{37}$ and $\lesssim$5.4$ imes$10$^{37}$ erg s$^{-1}$ (0.3--10 keV), respectively, at $\sim$16--18 days after the explosion. With these limits, we constrain the pre-explosion mass-loss rate of the progenitor system to be $\dot{M}$$<$7.2$ imes$10$^{-9}$ and $<$9.7$ imes$10$^{-9}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ for each (at a wind velocity $v_w$=100 km s$^{-1}$ and a radius of $R$$\approx$10$^{16}$ cm), assuming any X-ray emission would originate from inverse Compton emission from optical photons up-scattered by the supernova shock. If the supernova environment was a constant density medium, we find a number density limit of n$_{CSM}$$<$36 and $<$65 cm$^{-3}$, respectively. These X-ray limits rule out all plausible symbiotic progenitor systems, as well as large swathes of parameter space associated with the single degenerate scenario, such as mass loss at the outer Lagrange point and accretion winds. We also present late-time optical spectroscopy of SN 2020nlb, and set strong limits on any swept up hydrogen ($L_{H\alpha}$$<$2.7$ imes$10$^{37}$ ergs s$^{-1}$) and helium ($L_{He, \lambda 6678}$$<$2.7$ imes$10$^{37}$ ergs s$^{-1}$) from a nondegenerate companion, corresponding to $M_{H}$$\lesssim$0.7--2$ imes$10$^{-3}$ M$_{\odot}$ and $M_{He}$$\lesssim$4$ imes$10$^{-3}$ M$_{\odot}$. Radio observations of SN 2020nlb at 14.6 days after explosion also yield a non-detection, ruling out most plausible symbiotic progenitor systems. While we have doubled the sample of normal type Ia supernovae with deep X-ray limits, more observations are needed to sample the full range of luminosities and sub-types of these explosions, and set statistical constraints on their circumbinary environments.

研究の動機と目的

• 本論文の目的は、深宇宙X線観測を用いて2つの近距離Type Ia超新星の周囲星間環境を制限することである。
• 非白色矮星の伴星からの質量放出を伴う単一白色矮星（SD）起源シナリオの妥当性を検証することである。
• SN衝撃波加熱された電子による光子の逆コンプトン散乱によるX線放射が検出可能かどうかを調査することである。
• X線データと遅発光度における光学および電波観測を組み合わせ、起源系の多波長制限を提供することである。
• 深宇宙X線観測されたType Ia超新星のサンプルを拡大することで、SN Ia起源の多様性に関する統計的理解を向上させることである。

提案手法

• SN 2017cbvおよびSN 2020nlbの深宇宙Chandra X線観測は、爆発後約16–18日に行われた。
• X線発光度上限は、Marguttiら（2012）の逆コンプトン放射モデルを用い、SN衝撃波で加熱された相対論的電子が光学光子をアップスキャッタリングすると仮定して導出された。
• 周囲星間媒体（CSM）は、一定密度のISMに類似した媒体またはρCSM = Ṁ/(4πR²vw)の形で表される風様の媒体としてモデル化された。
• 観測されたX線上限と理論的発光度モデルを比較することで、質量放出率（Ṁ）および数密度（nCSM）の上限が導出された。
• SN 2020nlbの遅発光度における光学スペクトロスコピーは、取り囲まれた水素およびヘリウムの狭いHαおよびHe λ6678線の検出を試みた。
• 爆発後約14.6日におけるVLAを用いた電波観測は、密度の高いCSMの存在をさらに制限するために用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 爆発後約16–18日におけるSN 2017cbvおよびSN 2020nlbの周囲星間媒体からのX線発光度上限は何か？
• RQ2 これらのX線上限は、起源系の爆発前における質量放出率および周囲星間媒体の数密度にどのような制限を課すか？
• RQ3 X線、光学および電波データに基づいて、単一白色矮星シナリオにおける非白色矮星の伴星の存在は除外できるか？
• RQ4 X線および多波長制限は、これらのSN Iaにおける連星起源系をどれほどまでに除外するか？
• RQ5 SN 2011feおよびSN 2014Jからの以前のX線上限と比較して、これらの2つのSN Iaの結果は、SN Ia起源集団を制限する上でどの程度の寄与をするか？

主な発見

• SN 2017cbvおよびSN 2020nlbからはX線放射が検出されず、それぞれ0.3–10 keV発光度上限がLX ≲ 5.3×10³⁷ erg s⁻¹および≲5.4×10³⁷ erg s⁻¹であった。
• 一定密度のISMに類似した媒体を仮定した場合、周囲星間媒体（CSM）の数密度は、SN 2017cbvおよびSN 2020nlbでそれぞれnCSM < 36 cm⁻³および< 65 cm⁻³に制限された。
• 風様のCSMを仮定した場合、爆発前の質量放出率は、Ṁ < 7.2×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹および< 9.7×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹（vw = 100 km s⁻¹として）に制限された。
• これらのX線上限は、すべての妥当な連星起源系および外ラグランジュ点での質量放出または降着風を伴う単一白色矮星シナリオの大部分のパラメータ空間を除外した。
• SN 2020nlbの遅発光度における光学スペクトロスコピーは、取り囲まれた水素（LHα < 2.7×10³⁷ erg s⁻¹）およびヘリウム（LHe,λ6678 < 2.7×10³⁷ erg s⁻¹）に対する強い上限を設定し、それぞれMH ≲ 0.7–2×10⁻³ M⊙およびMHe ≲ 4×10⁻³ M⊙に対応した。
• 爆発後14.6日における電波観測でも非検出が得られ、これはX線結果と整合的であり、大多数の妥当な連星起源系をさらに除外した。