[論文レビュー] Spitzer's Last Look at Extragalactic Explosions: Long-Term Evolution of Interacting Supernovae

Tamás Szalai, Ori D. Fox+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 151被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、19例の相互作用的超新星に対するスパitzer宇宙望遠鏡の最終的な中赤外線（mid-IR）光度測定を提示し、長期間にわたる変化を分析することで、事前に存在するダストと新たに形成されたダストを区別する。SNe Ia-CSMは中赤外線の挙動が均一であることが判明し、共通の前身星環境を示唆している。一方、遅い時期の中赤外線光曲線は、継続的なCSM相互作用とダスト加熱を示しており、将来のJWST観測に示唆的である。

ABSTRACT

Here we present new - and, nevertheless, last - mid-infrared (mid-IR) data for supernovae (SNe) based on measurements with the Spitzer Space Telescope. Comparing our recent 3.6 and 4.5 $\mu$m photometry with previously published mid-IR and further multiwavelength datasets, we were able to draw some conclusions about the origin and heating mechanism of the dust in these SNe or in their environments, as well as on possible connection with circumstellar matter (CSM) originating from pre-explosion mass-loss events in the progenitor stars. We also present new results regarding both certain SN classes and single objects. We highlight the mid-IR homogeneity of SNe Ia-CSM, which may be a hint of their common progenitor type and of their basically uniform circumstellar environments. Regarding single objects, it is worth highlighting the late-time interacting Type Ib SNe 2003gk and 2004dk, for which we present the first-ever mid-IR data, which seem to be consistent with clues of ongoing CSM interaction detected in other wavelength ranges. Our current study suggests that long-term mid-IR follow-up observations play a key role in a better understanding of both pre- and post-explosion processes in SNe and their environments. While Spitzer is not available any more, the expected unique data from the James Webb Space Telescope, as well as long-term near-IR follow-up observations of dusty SNe, can bring us closer to the hidden details of this topic.

研究の動機と目的

• 最終的なスパイザーズ観測を用いて、相互作用的超新星の中赤外線長期間変化を分析すること。
• 中赤外線光曲線に基づき、超新星環境における事前に存在するダストと新たに形成されたダストを区別すること。
• さまざまなSNタイプにおける周囲物質（CSM）と中赤外線放射の関係を調査すること。
• 中赤外線モニタリングが、爆発前の質量放出と爆発後の衝撃波ダイナミクスを調べる役割を評価すること。
• 今後のJWSTおよび近赤外線フォローアップ研究の基盤を提供すること。

提案手法

• 19例の相互作用的超新星の最終的スパイザーズ観測から、新たに3.6および4.5 µmの光度測定を取得した。
• 既に発表済みの中赤外線および多波長データセット（可視光、X線、Hα、近赤外線）と統合した。
• X線およびHα光曲線と中赤外線光曲線を比較し、衝撃波相互作用とダスト加熱を追跡した。
• ダスト温度、放射度、質量の変化を分析し、ダストの起源（事前に存在するものか、新たに形成されたものか）を推定した。
• 冷却密なシェル（CDS）ダスト形成モデルを用いて、光曲線における再発光フェーズを解釈した。
• 特にSNe Ia-CSMおよびIInにおいて、中赤外線の変化の均一性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間にわたる相互作用的超新星における中赤外線過剰の原因は、事前に存在するダストか、新たに形成されたダストか？
• RQ2 SNe Ia-CSMの中赤外線挙動はSNe IInとどのように異なり、これによりそれらの前身星環境に何が示唆されるか？
• RQ3 中赤外線光曲線は、CSM相互作用を追跡するためにX線およびHα光曲線とどの程度相関しているか？
• RQ4 遅い時期の中赤外線観測は、初期の可視光サーベイでは検出されなかった遅延したCSM相互作用を明らかにできるか？
• RQ5 中程度の明るさを示すトランスジェントの光曲線は、古典的SNe IInやIa-CSMのそれとどのように比較できるか？

主な発見

• SNe Ia-CSMは、驚くほど均一な中赤外線光曲線を示しており、共通の前身星タイプと均一な周囲環境を示唆している。
• SNe IInの中赤外線の明るさの変化は、広がった密度の高いCSMが存在することを確認しており、そのダストは超新星の放射度によって放射的に加熱されている。
• 大多数のSNe IInでは、約2000日を過ぎて中赤外線のフラックスが持続的に減少しており、CSM相互作用が時間とともに弱まっていることを示している。
• Type Ib超新星SNe 2003gkおよび2004dkの遅い時期の中赤外線データは、継続的なCSM相互作用の兆候を示しており、他の波長からの手がかりと整合的である。
• SNe II-P（例：2004et、2013ej、2017eaw）では、中赤外線と近赤外線の光曲線が密接に一致しており、CDSダスト形成モデルを支持している。
• 一部の超新星（例：2010jl、2015da）は、爆発後のダスト形成の証拠を示しているが、他の超新星（例：2004dk、2005ip）は、放射的に加熱された事前に存在するダストからの持続的放射を示している。