[論文レビュー] Observation of SN2011fe with INTEGRAL. I. Pre--maximum phase

J. Isern, P. Jean+20 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 63被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、超新星SN2011feの最大光度に達する前の段階における、最初のINTEGRAL観測を報告し、初期の56Niガンマ線放射を探索した。高い感度にもかかわらず、SPIおよびIBIS/ISGRIの両機器は有意な信号を検出しなかった。158 keVにおける上界は7.1×10⁻⁵ ph/s/cm²、812 keVにおける上界は2.3×10⁻⁴ ph/s/cm²であり、2σ信頼水準で表面に大量の56Niを有するモデルは排除され、CO白色矮星におけるやや遅延した核心爆発から0.55 M⊙の56Ni生成量が支持される。

ABSTRACT

SN2011fe was detected by the Palomar Transient Factory on August 24th 2011 in M101 a few hours after the explosion. From the early optical spectra it was immediately realized that it was a Type Ia supernova thus making this event the brightest one discovered in the last twenty years. The distance of the event offered the rare opportunity to perform a detailed observation with the instruments on board of INTEGRAL to detect the gamma-ray emission expected from the decay chains of $^{56}$Ni. The observations were performed in two runs, one before and around the optical maximum, aimed to detect the early emission from the decay of $^{56}$Ni and another after this maximum aimed to detect the emission of $^{56}$Co. The observations performed with the instruments on board of INTEGRAL (SPI, IBIS/ISGRI, JEMX and OMC) have been analyzed and compared with the existing models of gamma-ray emission from such kind of supernovae. In this paper, the analysis of the gamma-ray emission has been restricted to the first epoch. Both, SPI and IBIS/ISGRI, only provide upper-limits to the expected emission due to the decay of $^{56}$Ni. These upper-limits on the gamma-ray flux are of 7.1 $ imes$ 10$^{-5}$ ph/s/cm$^2$ for the 158 keV line and of 2.3 $ imes$ 10$^{-4}$ ph/s/cm$^2$ for the 812 keV line. These bounds allow to reject at the $2σ$ level explosions involving a massive white dwarf, $\sim 1$ M$\odot$ in the sub--Chandrasekhar scenario and specifically all models that would have substantial amounts of radioactive $^{56}$Ni in the outer layers of the exploding star responsible of the SN2011fe event. The optical light curve obtained with the OMC camera also suggests that SN2011fe was the outcome of the explosion, possibly a delayed detonation although other models are possible, of a CO white dwarf that synthesized $\sim 0.55$ M$_\odot$ of $^{56}$Ni. For this specific model.

研究の動機と目的

• SN2011feの最大光度に達する前の段階において、INTEGRALの機器を用いて初期の56Niガンマ線放射を検出すること。
• 観測されたガンマ線放射の強度と理論的予測を比較することで、Ia型超新星の理論モデルを検証すること。
• ガンマ線ラインの非検出に基づき、SN2011feの外層における56Niの分布と質量を制約すること。
• 距離および爆発モデルに応じた初期56Ni放射の検出可能性を評価すること。
• 光学的光曲線の振るまいとガンマ線放射の制約を関連付けることで、爆発機構を推定すること。

提案手法

• SN2011feの最大光度に達する前の1000-ks観測期間中に、SPI、IBIS/ISGRI、JEMX、OMCの機器から得られたINTEGRALデータの分析。
• 応答関数および有効面積補正を用いて、SNIaモデル（DDTe、W7、DETO、SC3F）の合成スペクトルと観測されたガンマ線放射の上界を比較。
• 信号対雑音比および主要エネルギー帯域（150–172 keV、90–172 keV）における3σ上界の計算により、検出可能性を評価。
• ISGRIの背景推定値および機器応答関数（RMF、ARF）を用いて、期待される検出感度をモデル化。
• 観測された光学的56Ni質量（約0.55 M⊙）に一致するようにモデルをスケーリングし、限界的な検出可能性を検証。
• OMCの光学的光曲線データとガンマ線制約を照合することで、遅延核心爆発モデルとの整合性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 INTEGRALは、SN2011feの最大光度に達する前の段階において、初期の56Niガンマ線放射を検出できるか？
• RQ2 ガンマ線ラインの非検出によって、どのSNIa爆発モデルが除外されるか？
• RQ3 INTEGRALの感度に基づき、SN2011feの外層における56Ni質量分率の最大許容値は何か？
• RQ4 SN2011feの距離が、56Niガンマ線放射の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 SN2011feの光学的光曲線は、ガンマ線非検出および0.55 M⊙の56Ni生成量と整合性があるか？

主な発見

• SPIおよびIBIS/ISGRIのデータに基づき、158 keVにおける56Ni線の放射線強度上界は7.1×10⁻⁵ ph/s/cm²、812 keVにおける上界は2.3×10⁻⁴ ph/s/cm²である。
• SN2011feが1.4 Mpc以内にあった場合、外層0.15 M⊙に56Ni質量分率0.05のモデルは2σ信頼水準で除外され、3.7 Mpc以内にあった場合、0.5のモデルも同様に除外される。
• ISGRI/IBIS機器は100–172 keV帯域で有意な放射を検出しなかったため、外層にほとんど放射性核種が存在しないことが示唆される。
• OMCの光学的光曲線は、CO白色矮星のやや遅延した核心爆発から生じる0.55 M⊙の56Ni生成量と整合性がある。
• INTEGRALは、SN2011feが約2 Mpc以内にあった場合にのみ、初期の56Ni放射を検出可能であり、距離依存の検出可能性が顕著に現れている。
• 高56Ni生成量モデル（例：DETO、SC3F）を0.55 M⊙の56Ni生成量にスケーリングした場合、感度の限界値にちょうど達するか、それ以下となり、非検出が説明できる。