[論文レビュー] Dependences of Type Ia Supernovae Lightcurve Parameters on the Host Galaxy Star Formation Rate and Metallicity

K. Konishi, D. Cinabro+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2011

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

ひとこと要約

本研究では、スローン天文学探査計画（SDSS）の118個のIa型超新星を対象に、宿主銀河の性質—特に星形成率（SFR）と金属量—がIa型超新星の光曲線パラメーターや等価距離標準化に与える影響を調査した。その結果、高SFRの宿主銀河に存在する超新星は、より大きなニッケル56質量と広い光曲線を示すことが分かった。一方、金属量の高い宿主銀河に存在する超新星は、光曲線補正後、0.13±0.06マグニチュード明るく、これは光度距離に最大6％の不確実性をもたらす。また、金属量が低い宿主銀河では、標準化における色補正係数がより大きく、標準化に宿主依存の系誤差が存在することが示唆された。

ABSTRACT

We present the dependences of the properties of type Ia Supernovae (SNe Ia) on their host galaxies by analyzing the multi-band lightcurves of 118 spectroscopically confirmed SNe Ia observed by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Supernova Survey and the spectra of their host galaxies. We derive the equivalent width of the m{H}$α$ emission line, star formation rate, and gas-phase metallicity from the spectra and compare these with the lightcurve widths and colors of SNe Ia. In addition, we compare host properties with the deviation of the observed distance modulus corrected for lightcurve parameters from the distance modulus determined by the best fit cosmological parameters. This allows us to investigate uncorrected systematic effects in the magnitude standardization. We find that SNe Ia in host galaxies with a higher star formation rate have synthesized on average a larger $^{56}$Ni mass and show wider lightcurves. The $^{56}$Ni mass dependence on metallicity is consistent with a prediction of Timmes et al. 2003 based on nucleosynthesis. SNe Ia in metal-rich galaxies ({$\log_{10}(O/H)+12>8.9$) have become 0.13 $\pm$ 0.06 magnitude brighter after corrections for their lightcurve widths and colors, which corresponds to up to 6% uncertainty in the luminosity distance. We investigate whether parameters for standardizing SN Ia maximum magnitude differ among samples with different host characteristics. The coefficient of the color term is larger by 0.67 $\pm$ 0.19 for SNe Ia in metal-poor hosts than those in metal-rich hosts when no color cuts are imposed.

研究の動機と目的

• 大規模で分光学的に確認されたサンプルを用いて、Ia型超新星（SN Ia）の光曲線パラメーターが宿主銀河の星形成率（SFR）および金属量にどのように依存するかを調査すること。
• ハッブル残差と宿主銀河の性質を比較することで、SN Iaの等価距離標準化における補正されていない系統的誤差を評価すること。
• 前身星の金属量が核融合モデルを通じてニッケル56生成に与える影響を理論的予測と照合して検証すること。
• 標準化係数（例：ストレッチ項や色項）が、特に金属量やSFRに応じて変化するかどうかを検討すること。

提案手法

• スローン天文学探査計画（SDSS）超新星調査から、分光学的に確認された118個のSN Iaの多バンド光曲線を取得した。
• 宿主銀河の統合スペクトルから、水素αの等価幅、星形成率（SFR）、ガス相金属量を導出した。
• 観測された距離モジュラス（光曲線幅および色補正済み）を、最良の適合宇宙論的モデルが予測する値と比較することで、ハッブル残差を計算した。
• Timmes, Brown & Truran（2003）の核融合モデルを用いて、金属量に依存するニッケル56質量の予測を行い、観測された傾向と比較した。
• SFRおよび金属量の階層に応じて、光曲線パラメーターと標準化係数の統計的比較を実施した。
• チルトの減光補正を適用し、SALT2光曲線フィッターを用いてマグニチュードを標準化した後、残差解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成率が高い宿主銀河に存在するSN Iaは、低SFR宿主銀河のものと比較して、光曲線幅およびニッケル56質量に差を示すか？
• RQ2 光曲線幅および色の補正後、宿主銀河の金属量に応じてSN Iaの明るさに顕著な依存性が見られるか？
• RQ3 マグニチュード標準化に用いられる係数（例：ストレッチ項や色項）が、宿主銀河の金属量やSFRに系統的に変化するか？
• RQ4 観測されたハッブル残差が宿主銀河の性質とどれほど相関しているか。これは、SN Ia宇宙論における補正されていない系統的誤差を示唆する。
• RQ5 観測されたニッケル56質量および光度の傾向は、前身星の金属量に基づく核融合モデルの理論的予測と一致するか？

主な発見

• 星形成率が高い宿主銀河に存在するSN Iaは、平均してより大きなニッケル56質量と広い光曲線を示し、より高品質または急速に進化する前身星系のモデルと整合的である。
• 金属量の高い宿主銀河（log10(O/H)+12 > 8.9）に存在するSN Iaは、光曲線補正後、0.13 ± 0.06マグニチュード明るく、光度距離に最大6％の不確実性をもたらす。
• 金属量が低い宿主銀河に存在するSN Iaのマグニチュード標準化における色補正係数は、金属量が高い宿主銀河のものよりも0.67 ± 0.19大きい。これは、色補正が宿主に依存することを示唆している。
• 金属量に依存するニッケル56質量の依存性は、理論的予測（Timmes, Brown & Truran, 2003）と整合的であり、金属量の高い前身星では22Neのような中性子過剰核種の増加によりニッケル56生成量が減少すると予測されている。
• ストレッチ補正係数（α）が宿主SFRに依存する兆候（1–2σ）がわずかに観測され、宇宙のSFRの時間的変化に起因する赤方偏移依存性の可能性を示唆している。
• 金属量がlog10(O/H)+12 = 8.0未満の宿主銀河にSN Iaは観測されなかった。これは、Hachisu, Kato & Nomoto（1996）のモデルが予測するように、SN Ia爆発の金属量の下限値があることと整合的であるが、サンプルサイズの制限により明確な結論は得られない。