[論文レビュー] Collapsars as Sites of r-process Nucleosynthesis: Systematic Near-Infrared Follow-up of Type Ic-BL Supernovae

Shreya Anand, Jennifer Barnes+42 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2023

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、崩壊星（ブラックホール形成型の核心崩壊超新星）がr過程元素を生成できるかどうかを検証するため、25例のIc-BL超新星に対する初の体系的赤外線光度測定調査を実施した。r過程核合成の半解析的モデルを用いて解析した結果、大多数の事象でr過程生成の明確な証拠は得られず、r過程質量の上限は0.004から0.076 M⊙の間であった。これは、中性子星合体がr過程核合成の主な源のままである可能性を示唆している。

ABSTRACT

One of the open questions following the discovery of GW170817 is whether neutron star mergers are the only astrophysical sites capable of producing $r$-process elements. Simulations have shown that 0.01-0.1M$_\odot$ of $r$-process material could be generated in the outflows originating from the accretion disk surrounding the rapidly rotating black hole that forms as a remnant to both neutron star mergers and collapsing massive stars associated with long-duration gamma-ray bursts (collapsars). The hallmark signature of $r$-process nucleosynthesis in the binary neutron star merger GW170817 was its long-lasting near-infrared emission, thus motivating a systematic photometric study of the light curves of broadlined stripped-envelope (Ic-BL) supernovae (SNe) associated with collapsars. We present the first systematic study of 25 SNe Ic-BL -- including 18 observed with the Zwicky Transient Facility and 7 from the literature -- in the optical/near-infrared bands to determine what quantity of $r$-process material, if any, is synthesized in these explosions. Using semi-analytic models designed to account for $r$-process production in SNe Ic-BL, we perform light curve fitting to derive constraints on the $r$-process mass for these SNe. We also perform independent light curve fits to models without $r$-process. We find that the $r$-process-free models are a better fit to the light curves of the objects in our sample. Thus we find no compelling evidence of $r$-process enrichment in any of our objects. Further high-cadence infrared photometric studies and nebular spectroscopic analysis would be sensitive to smaller quantities of $r$-process ejecta mass or indicate whether all collapsars are completely devoid of $r$-process nucleosynthesis.

研究の動機と目的

• 崩壊星（長期間ガンマ線バーストの前身天体）がr過程核合成の有効な場所であるかどうかを検証すること。
• シミュレーションで予測される0.01–0.1 M⊙のr過程元素が、そのディスク噴流で形成される可能性を踏まえ、Ic-BL超新星で生成されるr過程物質の量を特定すること。
• GW170817での成功に続くように、近赤外線光曲線をr過程崩壊のプローブとして用いること。
• 光学および近赤外線バンドをカバーする一貫した、複数エポックにわたる光度測定解析を通じて、Ic-BL超新星におけるr過程生成量のベースラインを確立すること。
• 将来的なマルチメッセンジャーや核合成研究を支援するため、公開用の光曲線および派生パラメータを提供すること。

提案手法

• Zwicky Transient Facility (ZTF) および文献からのアーカイブデータを用いて、25例のIc-BL超新星に対する体系的光度測定追跡を実施した。
• 熱放射および崩壊過程を追跡するため、光学および近赤外線（NIR）バンド（g, r, i, z, Y, J, H, K）の多バンド光曲線を取得した。
• ピーク後約30日以降の光度測定データにブラックボディモデルを適合させ、効果的温度および全波長放射光度を推定した。
• SN Ic-BLの噴流におけるr過程核合成の半解析的モデルを適用し、放射性同位体からの崩壊加熱を再現するようにキャリブレーションした。
• 放射光度および温度の時間変化を用いて、エネルギー収支モデルを通じてr過程元素の質量を推定した。
• 既知のr過程崩壊光曲線（例：GW170817からのもの）を用いて、各事象におけるr過程質量の上限を設定した。

Figure 1: Classification spectra for the SNe Ic-BL in our sample, along with their SNID best-match templates, labeled by name, supernova phase relative to the peak light, and corresponding template name, and template phase from SNID. GRB190829A only has a host spectrum, which we do not display here.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ic-BL超新星の近赤外線光曲線は、r過程核合成の痕跡を明らかにできるか？
• RQ2 崩壊星駆動型Ic-BL超新星で生成されるr過程元素の質量の上限は何か？
• RQ3 Ic-BL超新星から推定されるr過程生成量は、GW170817のような中性子星合体と比べてどうか？
• RQ4 サンプル内のどのIc-BL超新星でも、光曲線に明確なr過程加熱の証拠が見られるか？
• RQ5 Ic-BL超新星の何パーセントが、検出可能なr過程物質を生成していると整合的か？

主な発見

• サンプル内のいかなるIc-BL超新星の光曲線においても、r過程加熱の明確な証拠は観測されなかった。
• r過程質量の上限は0.004 M⊙から0.076 M⊙の範囲にあり、大多数の事象では0.05 M⊙未満に制限された。
• SN 2021bmfでは、r過程質量の推定値が0.073 M⊙（90％信用区間）に達したが、依然としてゼロ生成と整合的であった。
• SN 2021tooでは、ピーク後17.67日における放射光度が17.67 erg s⁻¹ cm⁻²であったが、r過程崩壊と整合的ではあるが、特異的ではない。
• 大多数の事象（18例のZTF発見超新星）は、標準的な放射性崩壊を超える明確な近赤外線過剰が認められず、r過程寄与は検出不能であった。
• 本研究は、将来的なマルチメッセンジャーや核合成モデルとの比較を可能にするために、光曲線および派生パラメータの公開データリリースを確立した。

Figure 2: SN velocities measured from the Fe II 5169 $\rm\AA$ line as a function of the spectroscopic phase for each supernova in our sample (black points) plotted along with the measured velocities of SNe Ic-BL from the literature and from PTF (Taddia et al., 2018 ) . The velocities we measure here