[論文レビュー] Stripped-envelope core-collapse supernova $^{56}$Ni masses: Persistently larger values than supernovae type II

N. Meza, J. P. Anderson|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 120被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、3つの一貫した手法（アーネットの法則、カタミ＆カーセンの規定、尾部輝度）を用いて、スリッピングエンvelope核崩壊超新星（SE-SNe：IIb、Ib、Ic）における⁵⁶Ni質量を再評価し、SE-SNeでは水素豊富なタイプII SNeよりも一貫して高い⁵⁶Ni産出量が得られた。これは、方法論的バイアスではなく、本質的な天体物理学的差異を示している。

ABSTRACT

The mass of synthesised radioactive material is an important power source for all supernova (SN) types. Anderson 2019 recently compiled literature values and obtained $^{56}$Ni distributions for different core-collapse supernovae (CC-SNe), showing that the $^{56}$Ni distribution of stripped envelope CC-SNe (SE-SNe: types IIb, Ib, and Ic) is highly incompatible with that of hydrogen rich type II SNe (SNe-II). This motivates questions on differences in progenitors, explosion mechanisms, and $^{56}$Ni estimation methods. Here, we re-estimate the nucleosynthetic yields of $^{56}$Ni for a well-observed and well-defined sample of SE-SNe in a uniform manner. This allows us to investigate whether the observed SN-II--SE-SN $^{56}$Ni separation is due to real differences between these SN types, or because of systematic errors in the estimation methods. We compiled a sample of well observed SE-SNe and measured $^{56}$Ni masses through three different methods proposed in the literature. Arnett's rule -as previously shown - gives $^{56}$Ni masses for SE-SNe that are considerably higher than SNe-II. While for the distributions calculated using both the Khatami&Kasen prescription and Tail $^{56}$Ni masses are offset to lower values than `Arnett values', their $^{56}$Ni distributions are still statistically higher than that of SNe II. Our results are strongly driven by a lack of SE-SN with low $^{56}$Ni masses (that are in addition strictly lower limits). The lowest SE-SN $^{56}$Ni mass in our sample is of 0.015M$_\odot$, below which are more than 25$\%$ of SNe II. We conclude that there exists real, intrinsic differences in the mass of synthesised radioactive material between SNe II and SE-SNe . Any proposed current or future CCSN progenitor scenario and explosion mechanism must be able to explain why and how such differences arise, or outline a yet to be fully explored bias in current SN samples.

研究の動機と目的

• スリッピングエンvelope（SE-SNe）と水素豊富なタイプII SNeとの間で観測された⁵⁶Ni質量の乖離が、推定手法における系統的誤差によるものか、それとも本質的な天体物理学的差異によるものかを調査すること。
• 方法論的バイアスを最小限に抑えるために、複数の一貫した手法を用いて、well-observedかつ均質なSE-SNeサンプルの⁵⁶Ni質量を再評価すること。
• 従来報告されたSE-SNeにおける高い⁵⁶Ni産出量が、異なる推定技術においても一貫しているか、それとも不均一な文献測定の結果に起因するアーティファクトであるかを特定すること。
• サンプルに低⁵⁶Ni質量SE-SNeが欠如していることが、SE-SNeとSNe IIとの間の観測された統計的分離に寄与しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 赤方偏移が低く（z ≤ 0.03）、爆発時刻の推定に高い精度（平均不確実性 <7日）を有するwell-observed SE-SNeのサンプルを収集した。
• 3つの独立した⁵⁶Ni質量推定手法を適用した：アーネットの法則（初期光曲線からのエネルギー予算）、カタミ＆カーセンの手法（放射移動とエネルギー沈着）、尾部輝度（遅発期減光に基づく下限）。
• 一貫した比較が可能なよう、均質な光度曲線および物質放出特性の推定に、統一された光度測定およびスペクトロスコピー的データを用いた。
• 各手法で得られた⁵⁶Ni分布をアンドリュースン（2019）の文献コンパイレーションと比較し、一貫性および統計的有意性を評価した。
• SE-SNeとSNe IIとの間で観測された⁵⁶Ni分布の差が統計的に有意であり、サンプルバイアスに起因しないかを評価するための統計的検定を実施した。
• 観測された等級と輝度を補正するために、ミルキーウェイおよび宿主銀河のE(B-V)値を用いて減光を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SE-SNeにおける高い⁵⁶Ni質量が、SNe IIと比較して観測されているのは、推定手法における系統的誤差によるものか、それとも本質的な天体物理学的差異によるものか？
• RQ2 異なる⁵⁶Ni質量推定手法（アーネット、カタミ＆カーセン、尾部輝度）は、同一のSE-SNサンプルに対してどのように結果を比較できるか？
• RQ3 本研究のサンプルに低⁵⁶Ni質量SE-SNe（例：0.015 M☉未満）が欠如していることが、SNe IIとの間の統計的分離に寄与しているか？
• RQ4 SE-SNeの⁵⁶Ni産出量分布は、現在の前身星および爆発モデルと整合するか、それとも新たな物理的説明を要するか？

主な発見

• アーネットの法則により得られたSE-SNeの⁵⁶Ni質量は、SNe IIよりも顕著に高く、従来の文献の報告を再確認した。
• カタミ＆カーセンの規定および尾部輝度（下限）手法を用いても、SE-SNの⁵⁶Ni分布は依然としてSNe IIよりも統計的に高く、一貫性を示した。
• SE-SNサンプルの最低⁵⁶Ni質量は0.015 M☉であり、これ未満にはSNe IIのおよそ25％以上が存在するため、低⁵⁶Ni質量SE-SNeの真正な欠如が示唆された。
• 3つの手法すべてにおいて一貫して観測された⁵⁶Ni質量分布の分離は、推定における系統的誤差ではなく、本質的な天体物理学的差異を強く示唆している。
• これらの結果は、SE-SNeがSNe IIよりも平均してより多くの⁵⁶Niを生成する理由を説明できるような、現在の前身星および爆発モデルの改訂が求められることを示唆している。
• 低⁵⁶Ni質量SE-SNeの欠如は、選択バイアスまたは前身星構造や爆発メカニズムにおける根本的な差異を示唆している可能性がある。