[論文レビュー] The broad-line type Ic SN 2020bvc: signatures of an off-axis gamma-ray burst afterglow

L. Izzo, Katie Auchettl+6 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Apr 13, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 76被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、関連する超新星放射によって検出された最初の孤立型ガンマ線バースト（GRB）後光としてSN 2020bvcを提示する。多波長観測において、非軸上ジェット駆動型ココン放射およびX線後光の特徴を同定し、ジェットの傾きが約23°であることを確認した。これは、ビームのずれによって初期GRBが観測されなかった理由を説明する。

ABSTRACT

Long-duration gamma-ray bursts (GRBs) are almost unequivocally associated with very energetic, broad-lined supernovae (SNe) of Type Ic-BL. While the gamma-ray emission is emitted in narrow jets, the SN emits radiation isotropically. Therefore, some SN Ic-BL not associated with GRBs have been hypothesized to arise from events with inner engines such as off-axis GRBs or choked jets. Here we present observations of the nearby ($d = 120$ Mpc) SN 2020bvc (ASAS-SN 20bs) which support this scenario. extit{Swift} UVOT observations reveal an early decline (up to two days after explosion) while optical spectra classify it as a SN Ic-BL with very high expansion velocities ($\approx$ 70,000 km/s), similar to that found for the jet-cocoon emission in SN 2017iuk associated with GRB 171205A. Moreover, extit{Swift} X-Ray Telescope and extit{CXO} X-ray Observatory detected X-ray emission only three days after the SN and decaying onwards, which can be ascribed to an afterglow component. Cocoon and X-ray emission are both signatures of jet-powered GRBs. In the case of SN 2020bvc, we find that the jet is off axis (by $\approx$ 23 degrees), as also indicated by the lack of early ($\approx 1$ day) X-ray emission which explains why no coincident GRB was detected promptly or in archival data. These observations suggest that SN 2020bvc is the first orphan GRB detected through its associated SN emission.

研究の動機と目的

• 極めて高い速度を示す近距離のType Ic-BL超新星SN 2020bvcの性質を調査し、ジェット駆動型イベントに関連しているかどうかを特定すること。
• 一部の検出されたGRBのないSNe Ic-BLが、非軸上ガンマ線バーストまたは閉じ込められたジェットに起因するのではという仮説を検証すること。
• SN 2020bvcの多波長光曲線およびスペクトルにおいて、非軸上GRB後光の観測的特徴を同定すること。
• X線および光学データを用いて、ジェットの幾何構造と観測角度を制約すること。特に、遅延したX線検出および初期の光学減光に注目すること。
• 標準的なSN Ic-BLや衝撃を受けた周囲物質からの電波後光といった代替説を除外すること。

提案手法

• Swift UVOTおよびX線望遠鏡（XRT）の光曲線を分析し、初期の光学減光および遅延したX線後光放射を検出すること。
• Chandra X線望遠鏡（CXO）の高分解能X線データを用いて、爆発後約3日目にX線放射の開始を確認すること。
• X線光曲線を非軸上GRB後光モデルにフィットさせ、循環周囲密度プロファイル（ρ ∝ R⁻ᵏ）を仮定し、k = 0, 1.5, 2.0の各値を検討すること。
• 24日目に取得したSN 2020bvcの光学スペクトルを、既知のGRB-SNeのスペクトルと比較し、Feピーク元素の高エネルギー速度特徴およびジェット・ココン特徴を同定すること。
• コア崩壊時（2月4.0 ± 0.1）にガンマ線対応体が存在するかをFermi-GBMおよびINTEGRALアーカイブを調査し、有意な検出は得られなかったこと。
• スペクトル解析を通じてSN環境を評価し、低金属量であることが判明し、コラプサー模型およびジェット形成に整合的であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2020bvcは、検出された初期GRBが存在しないにもかかわらず、非軸上ガンマ線バースト後光の特徴を示しているか？
• RQ2 SN 2020bvcにおけるジェットの観測角度は何か？ そして、これは初期X線およびガンマ線放射が観測されない理由をどのように説明するか？
• RQ3 観測された初期の光学減光および遅延したX線放射は、相対論的流れからのココンおよび後光放射によって説明可能か？
• RQ4 X線光曲線は非軸上GRB後光モデルと整合的か？ そして、循環周囲密度プロファイルにどのような制約を課えるか？
• RQ5 SN環境の金属量は何か？ そして、これはSNe Ic-BLにおけるジェット形成のためのコラプサー模型を支持するか？

主な発見

• SN 2020bvcは、爆発後2日以内に初期の光学減光を示しており、ジェット駆動型超新星からのココン放射と整合的である。
• 24日目の光学スペクトルには、約70,000 km/sの高エネルギー速度吸収特徴が確認され、これはSN 2017iuk（GRB 171205Aに関連）と同様に、ジェット・ココン放射の特徴を示すFeピーク元素に由来する。
• X線放射は爆発後3日目にのみ検出され、累乗法則に従って減光しており、標準的なSNや衝撃を受けた周囲物質からのものではなく、非軸上GRB後光と整合的である。
• X線光曲線のモデルフィットにより、ジェットの観測角度は約23度であると判明し、ビームのずれによって初期ガンマ線放射が観測されなかったことが説明された。
• Fermi-GBMおよびINTEGRALアーカイブにおけるコア崩壊時（2月4.0 ± 0.1）のガンマ線対応体は、有意な検出が得られず、しきい値未満のイベントはSN位置から93.71度離れていた。
• 遅延したSNスペクトルのスペクトル解析により、低金属量環境（[Z/H] ≈ -1.5と整合的）であることが判明し、コラプサー模型および質量が大きく金属量が低いWolf-Rayetの前身星からのジェット形成を支持する。