[論文レビュー] Low Frequency Absorption in Cassiopeia A

Maria Arias, Jacco Vink+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

LOFARおよびVLAを用いた30–77 MHzおよびLバンドの電波観測により、カシオペアAにおける低周波数自由自由吸収をモデル化し、衝撃を受けない爆発残骸の質量、温度、塊の程度を制約した。100 Kにおける質量は$2.95 \pm 0.48\,M_\odot$であり、低温または高塊の程度では推定される質量が減少する。また、時間的減少が質量損失のみでは説明できないことから、高塊の程度または低ガス温度（約10 K）が必要であり、高吸収を説明する必要がある。

ABSTRACT

Cassiopeia A is one of the best studied supernova remnants. Its shocked ejecta emits brightly in radio and X-rays. Its unshocked ejecta can be studied through infrared emission, the radio-active decay of $^{44}$Ti, and low frequency free-free absorption due to cold gas internal to the shell. Free-free absorption is affected by the mass, geometry, temperature, and ionisation conditions in the absorbing gas. Observations at the lowest radio frequencies constrain a combination of these properties. We use LOFAR LBA observations at 30-77 MHz and L-band VLA observations to compare $u-v$-matched images with a common resolution of 17. We simultaneously fit, per pixel, for the emission measure and the ratio of the emission from the unabsorbed front of the shell versus the absorbed back of the shell. We explore the effects that low temperatures and a high degree of clumping can have on the derived physical properties, such as mass and density. We also compile published radio flux measurements, fit for the absorption processes that occur in the radio band, and consider how they affect the secular decline of the source. We find a mass in the unshocked ejecta of $M = 2.95 \pm {0.48} \,M_{\odot}$ for an assumed gas temperature of $T=100$ K. This estimate is reduced for colder gas temperatures and if the ejecta are clumped. We measure the reverse shock to have a radius of $114$ $\pm $6. We also find that a decrease in the amount of mass in the unshocked ejecta (as more and more material meets the reverse shock and heats up) cannot account for the observed low frequency behaviour of the secular decline rate. To reconcile our low frequency absorption measurements with models that predict little mass in the unshocked ejecta we need the ejecta to be very clumped, or the temperature in the cold gas to be low ($\sim10$ K). Both conditions can jointly contribute to the high absorption.

研究の動機と目的

• 低周波数電波吸収を用いて、カシオペアAにおける衝撃を受けない残骸の質量および物理的状態を特定すること。
• ガス温度および塊の程度が、自由自由吸収からの推定される残骸質量および放射度に与える影響を評価すること。
• 観測された電波輝度の時間的減少を、残骸の進化および逆シャワー力学のモデルと一致させること。
• 超新星残光殻内に存在する冷たい吸収ガスの幾何学的形状およびイオン化状態をよりよく制約すること。

提案手法

• 共通のビーム分解能17"を有する、u-vマッチドLOFAR LBA（30–77 MHz）およびVLA Lバンド（1–2 GHz）画像を取得した。
• 殻状構造における、未吸収の前面放射と吸収された背面放射の比および放射度を画素ごとにフィッティングした。
• 自由自由吸収モデルに温度および塊の程度の効果を取り入れ、質量推定値への影響を評価した。
• 歴史的電波輝度測定値を収集し、周波数帯域全体における源の時間的減少をモデル化した。
• 放射線輸送の原則を用いて、殻内に存在する冷たいイオン化ガスの自由自由吸収をモデル化した。
• 温度および塊の程度の変動が、観測される低周波数スペクトル行動に与える影響を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カシオペアAにおける衝撃を受けない残骸の質量は何か？また、仮定されるガス温度および塊の程度にどのように依存するか？
• RQ2 冷たい吸収ガスにおける低温度および高塊の程度は、推定される放射度および観測される電波輝度にどのように影響するか？
• RQ3 観測された電波輝度の時間的減少は、逆シャワーによって加熱される物質の質量損失によって説明できるか？
• RQ4 観測された高周波数での高い低周波数吸収を再現するには、どのような物理的条件（温度、密度、幾何学的形状）が必要か？

主な発見

• ガス温度が100 Kの場合、衝撃を受けない残骸の質量は$2.95 \pm 0.48\,M_\odot$と推定され、低温ではその値が減少する。
• 逆シャワーの半径は$114 \pm 6$弧秒であり、衝撃伝播モデルと整合的である。
• 衝撃を受けない残骸質量の減少だけでは、低周波数帯域における観測された時間的減少率を説明できない。
• 高吸収を説明するには、極端な塊の程度または約10 Kの低ガス温度が必要であり、低質量残骸モデルと観測結果を一致させるために不可欠である。
• 低温と高塊の程度の組み合わせが、自由自由光学厚さを増幅させ、低周波数帯域における観測されたスペクトルの折り返しを説明する。
• 本研究は、低周波数電波観測が冷たい残骸の微視的状態、特に塊の程度および温度に対して敏感であることを示した。