[論文レビュー] Investigations of supernovae and supernova remnants in the era of SKA

Lingzhi Wang, Xiaohong Cui+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スケールキロメートルアレイ（SKA）が感度の高い高分解能電波調査を可能にすることで、超新星（SNe）および超新星残骸（SNRs）の研究がどのように画期的に進化するかを調査している。SKAの類いまれな感度と広視野が、従来検出できなかったIa型超新星の電波放射や、光学的に暗くほこりに覆われた核崩壊型超新星を検出できることを提唱している。また、磁場増幅や宇宙線加速を調べるため、SNRs内の繊維状構造を解像可能にし、CTAとの多波長連携によって銀河系宇宙線の起源を解明する。

ABSTRACT

Two main physical mechanisms are used to explain supernova explosions: thermonuclear explosion of a white dwarf(Type Ia) and core collapse of a massive star (Type II and Type Ib/Ic). Type Ia supernovae serve as distance indicators that led to the discovery of the accelerating expansion of the Universe. The exact nature of their progenitor systems however remain unclear. Radio emission from the interaction between the explosion shock front and its surrounding CSM or ISM provides an important probe into the progenitor star's last evolutionary stage. No radio emission has yet been detected from Type Ia supernovae by current telescopes. The SKA will hopefully detect radio emission from Type Ia supernovae due to its much better sensitivity and resolution. There is a 'supernovae rate problem' for the core collapse supernovae because the optically dim ones are missed due to being intrinsically faint and/or due to dust obscuration. A number of dust-enshrouded optically hidden supernovae should be discovered via SKA1-MID/survey, especially for those located in the innermost regions of their host galaxies. Meanwhile, the detection of intrinsically dim SNe will also benefit from SKA1. The detection rate will provide unique information about the current star formation rate and the initial mass function. A supernova explosion triggers a shock wave which expels and heats the surrounding CSM and ISM, and forms a supernova remnant (SNR). It is expected that more SNRs will be discovered by the SKA. This may decrease the discrepancy between the expected and observed numbers of SNRs. Several SNRs have been confirmed to accelerate protons, the main component of cosmic rays, to very high energy by their shocks. This brings us hope of solving the Galactic cosmic ray origin's puzzle by combining the low frequency (SKA) and very high frequency (Cherenkov Telescope Array: CTA) bands' observations of SNRs.

研究の動機と目的

• SKAの優れた感度により、現在の望遠鏡では検出できないIa型超新星の電波放射を検出することで、Ia型超新星の未解決な前身星系を解明すること。
• 深さのある電波調査により、本質的に暗くほこりに遮蔽された核崩壊型超新星を検出することで、「超新星発生率の問題」を解決すること。
• 高分解能電波観測を用いて、SNRsにおける磁場増幅および粒子加速を研究すること。
• SKAの低周波数能力を活用し、古いSNRsにおける陽子および電子誘発電波放射を区別すること。
• SKAとCTAの多波長連携を活用し、銀河系宇宙線の起源を、電波およびガンマ線観測の共同解析によって特定すること。

提案手法

• SKA1-MIDおよびSKA1-LOWの高感度と広視野を活用し、空の全域にわたる深さのある広域電波調査を実施する。
• Weilerら（1986, 1990, 2002）の電波光曲線モデルを適用し、超新星の電波光曲線から質量放出率および周囲物質（CSM）の性質を推定する。
• 高分解能（≤1 arcsec）イメージングを用いて、SNRs内の繊維状非熱的電波構造をマッピングし、0.1 pc未満のスケールでの磁場増幅を調べる。
• pp衝突で生成される二次電子からのシンクロtron電波スペクトルをモデル化し、100 MHz未満で一次電子スペクトルと区別する。
• 低周波数電波データ（SKA1-LOW, 50–350 MHz）と高エネルギーガンマ線データ（CTA, >100 GeV）を統合し、SNRs内のGeV–TeV粒子集団を追跡する。
• SKAの深さのあるイメージングと感度を活用し、未同定ガンマ線源の電波対応体を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは、現在の望遠鏡では検出できないIa型超新星の電波放射を、その優れた感度のおかげで検出可能だろうか？
• RQ2 SKA1-MID／調査は、光学的に暗くほこりに包まれた核崩壊型超新星の検出をどの程度向上させるだろうか？
• RQ3 SKAの高分解能イメージングは、SNRs内の繊維状構造をどの程度解像可能にし、磁場増幅および粒子加速を調べられるようになるだろうか？
• RQ4 SKA1-LOWは、古いSNRsにおける一次電子と二次電子からの電波放射を、低周波数スペクトル特徴によって区別できるだろうか？
• RQ5 SKAとCTAの観測連携は、SNRsにおける粒子加速機構を特定することで、銀河系宇宙線の起源をどのように解明するだろうか？

主な発見

• SKA1は、現在の機器よりも約100倍感度が優れているため、Ia型超新星の電波放射を検出すると予想される。
• SKA1-MIDは、本質的に暗い核崩壊型SNeの大きな集団を検出でき、予想される発生率と観測された発生率の乖離を軽減する。
• 高分解能SKA観測（≤1 arcsec）により、5 kpcの距離で約0.02 pcスケールのSNRs内の繊維状構造が解像可能となり、磁場増幅の詳細な研究が可能になる。
• 古いSNRsからの低周波数電波スペクトル（100 MHz未満）は、二次電子寄与によってスペクトルの分離を示し、一次電子放射と区別可能になる。
• SKA1-LOWとCTAの組み合わせにより、SNRsからの低周波数電波と高エネルギーガンマ線放射を同時に観測でき、粒子加速機構の強力な診断が可能になる。
• SKAの感度のおかげで、未同定ガンマ線源の電波対応体を検出可能となり、高エネルギー宇宙線の起源特定に貢献する。