[論文レビュー] Radio emission of SN1993J. The complete picture: II. Simultaneous fit of expansion and radio light curves

I. Martí‐Vidal, J. M. Marcaide+4 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Jul 7, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 26被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、放射光度曲線とVLBIによる膨張曲線を同時にモデル化するRAMSESというシミュレーションコードを提示する。このモデルは、時間変化する噴出物質の透過率、半径方向に減少する磁場、および構造が変化する周囲星間物質（CSM）を組み込む。単一の物理的フレームワークを用いて、すべての電波データにうまくフィットし、遅刻したフラックス密度の減衰と見かけの膨張減速は、複数の膨張段階ではなく、シンクロトロン自己吸収、電子冷却、および半径方向の磁場勾配によって駆動されていることが明らかになった。

ABSTRACT

We report on a simultaneous modelling of the expansion and radio light curves of SN1993J. We have developed a simulation code capable of generating synthetic expansion and radio light curves of supernovae by taking into consideration the evolution of the expanding shock, magnetic fields, and relativistic electrons, as well as the finite sensitivity of the interferometric arrays used in the observations. Our software successfully fits all the available radio data of SN 1993J with an standard emission model for supernovae extended with some physical considerations, as an evolution in the opacity of the ejecta material, a radial drop of the magnetic fields inside the radiating region, and a changing radial density profile of the circumstellar medium beyond day 3100 after explosion.

研究の動機と目的

• SN1993Jの膨張曲線の解釈に生じる矛盾、特に複数の膨張段階とされる主張と、1つの周波数依存の膨張指数とされる主張の間の矛盾を解消すること。
• 物理的に整合性のあるモデルを用いて、SN1993Jの電波光度曲線とVLBIで得られた膨張曲線を同時にフィットすること。
• 時間変化する噴出物質の透過率、半径方向に減少する磁場、周囲星間物質（CSM）構造の役割が、観測された電波光度曲線と膨張行動に与える影響を調査すること。
• 観測された遅刻したフラックス密度の減衰と見かけの膨張減速が、物理的プロセスに起因するのか、あるいはビーム感度や透過率効果といった観測バイアスに起因するのかを特定すること。
• 複数の膨張領域や恣意的な仮定を必要とせず、すべての利用可能な電波データを1つの統一的モデルで説明できるかどうかを検証すること。

提案手法

• SN1993Jの超新星衝撃波動力学とシンクロトロン放射のChevalier（1982a,b）モデルに基づく、RAMSES（超新星からのシンクロトロン放射の放射・吸収モデル）と呼ばれるシミュレーションコードの開発。
• 電子エネルギー分布および電波放射計算に、放射冷却、シンクロトロン自己吸収（SSA）、逆コンプトン散乱を組み込む。
• 干渉測定による殻のサイズ推定に生じる観測バイアスを説明するため、放射する殻内での半径方向に減少する磁場をモデル化し、式（1）でパrameter化する。
• 周波数依存の時間変化を伴う噴出物質の透過率を実装し、1.7 GHzで100%から2500日目までに0%へと変化させることで、スペクトルおよび膨張曲線の挙動を説明する。
• 1.7 GHzから2500日目までに0%へと変化させることで、スペクトルおよび膨張曲線の挙動を説明する。
• 1.7 GHzから2500日目までに0%へと変化させることで、スペクトルおよび膨張曲線の挙動を説明する。
• 有限の電波望遠鏡ビーム感度が、特に遅刻した時期の観測された殻のサイズに与える影響を模擬するため、合成VLBIイメージングを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の膨張段階を仮定することなく、SN1993Jの観測された電波光度曲線とVLBIによる膨張曲線を1つの物理的モデルで同時に説明できるか？
• RQ2 観測された見かけの膨張曲線の遅刻した減速は、真の力学的減速ではなく、ビーム感度と半径方向の磁場勾配の影響によるものである程度はどの程度か？
• RQ3 周波数に依存する噴出物質透過率の時間変化が、観測された膨張曲線とスペクトル指数の時間変化にどのように影響するか？
• RQ4 半径方向の磁場減衰が、遅刻したフラックス密度の減衰と見かけの膨張曲線の曲率をどのように形成するか？
• RQ5 1.4 GHz以外の周波数で100日目ごろに説明のつかない40%のフラックス密度上昇が観測される理由は何か？これは、ショックを受けていたCSM電子密度の一時的上昇によって説明できるか？

主な発見

• 単一の一貫した物理的フレームワークを用いて、すべての利用可能な電波光度曲線とVLBI膨張データにうまくフィットし、複数の膨張段階を仮定する必要がなくなった。
• 膨張曲線における遅刻した見かけの減速は、主にシンクロトロン自己吸収と電子冷却によるフラックス密度の減衰に加え、半径方向に減少する磁場に起因するビーム感度効果が組み合わさったものである。
• 式（1）で表される半径方向の磁場減衰プロファイルを採用することで、最新のVLBIデータへのフィットが著しく改善され、均等な磁場仮定よりも残差が小さくなった。
• 噴出物質の透過率は、1.7 GHzで100%から高周波数で2500日目までに0%へと変化し、周波数依存の膨張行動とスペクトル指数の時間変化を説明できる。
• ほとんどのバンドで100日目に説明のつかない40%のフラックス密度上昇は、ショックを受けていたCSM電子密度の一時的上昇によって説明するのが最も適切であり、衝撃パラメータの変化とは無関係である。
• 3100日目以降、指数s > 2の高いCSM構造インデックス、または無視できるCSM密度が必要となり、指数的減衰に一致する。CSMが無視できない場合、電子の寿命効果が重要な役割を果たす。