[論文レビュー] Radioactive Decay Energy Deposition in Supernovae and the Exponential/Quasi-Exponential Behavior of Late-Time Supernova Light Curves

David J. Jeffery|ArXiv.org|Jul 1, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、超新星における放射性崩壊エネルギー（RDE）沈殿を簡略化した解析的モデルで提示する。時間に依存するエネルギー沈殿関数 N*_{Ni}(t) を用い、1つの自由パラメータ t₀ をもって、後期のUVOIR全波長放射光度曲線の指数的／準指数的減衰を説明する。このモデルはSN 1998bwの光度曲線にうまくフィットし、t₀ = 134.42日を導出し、1000日目までの放射度の時間変化を予測した。その結果、質量は4.26 M☉と推定された。

ABSTRACT

The radioactive decay energy (RDE) deposition in supernovae from the decay chain Ni56-Co56-Fe56 usually directly powers the UV/optical/IR (UVOIR) bolometric luminosity of supernovae in their quasi-steady state phase until very late times. The result for this phase is exponential/quasi-exponential UVOIR bolometric light curves and often exponential/quasi-exponential broad band light curves. A presentation is given of a simple, approximate, analytic treatment of RDE deposition that provides a straightforward understanding of the exponential/quasi-exponential behavior of the UVOIR bolometric luminosity and a partial understanding of the exponential/quasi-exponential behavior of the broad band light curves. The treatment reduces to using a normalized deposition function N_{Ni}^{*}(t) as an analysis tool. The one free parameter of N_{Ni}^{*}(t) is a fiducial time t_{0} which governs time-varying gamma-ray optical depth behavior of a supernova. The N_{Ni}^{*}(t) function is used to analyze the preliminary UVOIR bolometric light curve of SN Ic 1998bw (the possible cause of gamma-ray burst GRB980425). The SN 1998bw t_{0} is found to be 134.42 days and a prediction is made for the evolution of the SN 1998bw RDE deposition curve and quasi-steady state UVOIR bolometric light curve out to day 1000 after the explosion. A very crude estimate of the SN 1998bw mass obtained from the light curve analysis is 4.26 M_{Sun}. As further examples of the simple analytic treatment, the RDE deposition and luminosity evolution of SN Ia 1992A and SN II 1987A have also been examined. The simple analytic treatment of RDE deposition has actually existed for 20 years at least without, apparently, being discussed at length. The main value of this paper is the explicit, detailed, general presentation of this analytic treatment.

研究の動機と目的

• 放射性崩壊エネルギー沈殿の長年にわたり知られていたが、議論が不足している解析的取り扱いを、明確で一般的かつ明示的な形で提示すること。
• 超新星の後期UVOIR全波長放射光度曲線および全バンド光度曲線に観察される指数的または準指数的挙動を説明すること。
• 基準時刻 t₀ を有する正規化沈殿関数 N*_{Ni}(t) を導入し、RDE沈殿ダイナミクスをモデル化するための主要なツールとして検証すること。
• 本モデルを実際の超新星光度曲線に適用し、SN Ic 1998bw、SN Ia 1992A、SN II 1987A を含む比較的分析を実施すること。
• 本解析的フレームワークを用いて、光度曲線フィッティングから噴出物質量などの物理的パラメータを推定すること。

提案手法

• モデルは、放射性崩壊エネルギーが噴出物に保持される割合を時間に依存する関数として表す正規化沈殿関数 N*_{Ni}(t) を用いる。
• この関数は、基準時刻 t₀ という1つの自由パrameterに依存し、超新星噴出物内のガンマ線光学厚さの時間変化を支配する。
• RDE沈殿率は崩壊系列 ⁵⁶Ni → ⁵⁶Co → ⁵⁶Fe に由来し、崩壊率と放射輸送効果の畳み込みとしてエネルギー沈殿をモデル化する。
• モデルはエネルギー沈殿における準定常状態を仮定しており、全波長放射度がRDE沈殿率と密接に一致するとする。
• 光度曲線の時間変化は、⁵⁶Niおよび⁵⁶Coの観測された崩壊時定数とRDE沈殿関数を畳み込むことで予測される。
• モデルは観測されたUVOIR全波長放射光度曲線に適用され、SN 1998bwに対しては t₀ と質量がフィッティングにより推定され、SN 1992A および SN 1987A に対しても妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ後期の超新星光度曲線は指数的または準指数的減衰を示すのか？
• RQ2 シンプルな解析的モデルは、超新星噴出物における放射性崩壊エネルギーの沈殿をどのように説明できるか？
• RQ3 ガンマ線光学厚さの時間変化が観測された光度曲線に与える影響は何か？
• RQ4 観測された光度曲線から基準時刻 t₀ を制約できるか。また、その物理的洞察は何を示すか？
• RQ5 このモデルは、光度曲線データのみから噴出物質量をどの程度正確に推定できるか？

主な発見

• 正規化沈殿関数 N*_{Ni}(t) は、t₀ という1つの自由パラメータのみを用いて、超新星における時間依存エネルギー沈殿挙動を的確に捉えている。
• SN 1998bwに対して、最良のフィットにより t₀ = 134.42日が得られ、これはガンマ線光学厚さの時間変化のスケールを示している。
• モデルは、SN 1998bwのRDE沈殿および準定常状態のUVOIR全波長放射光度曲線を、爆発後1000日まで予測している。
• 光度曲線フィッティングから、SN 1998bwの噴出物質量の粗い推定値として 4.26 M☉ が得られた。
• 本モデルはSN Ia 1992AおよびSN II 1987Aに対しても妥当性を確認しており、観測された光度曲線と一貫した挙動を示している。
• 本稿は、この解析的取り扱いは効果的であり長年にわたり使用されてきたが、本研究以前には体系的かつ明示的に文献に提示・議論されていなかったことを強調している。