[論文レビュー] The population of SNe/SNRs in the starburst galaxy Arp 220. A self-consistent analysis of 20 years of VLBI monitoring

E. Varenius, J. E. Conway+7 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Feb 15, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、20年間のVLBI観測を自己一貫性のある方法で分析し、97個のコンパクトな電波源を検出。その放射度関数は $n(L)\propto L^{-2.19\pm0.15}$ に従い、通常の銀河における超新星残骸（SNRs）と整合的である。放射度-直径関係が明らかになり、明るくコンパクトな超新星（おそらくIIn型）と、より大きく、やや明るさが低いSNRsの2つの集団が特定された。さらに、弱い源が宇宙線の再加速によって顕著に寄与している可能性がある。

ABSTRACT

The nearby ultra-luminous infrared galaxy (ULIRG) Arp 220 is an excellent laboratory for studies of extreme astrophysical environments. For 20 years, Very Long Baseline Interferometry (VLBI) has been used to monitor a population of compact sources thought to be supernovae (SNe), supernova remnants (SNRs) and possibly active galactic nuclei (AGNs). Using new and archival VLBI data spanning 20 years, we obtain 23 high-resolution radio images of Arp 220 at wavelengths from 18 cm to 2 cm. From model-fitting to the images we obtain estimates of flux densities and sizes of all detected sources. We detect radio continuum emission from 97 compact sources and present flux densities and sizes for all analysed observation epochs. We find evidence for a LD-relation within Arp 220, with larger sources being less luminous. We find a compact source LF $n(L)\propto L^β$ with $β=-2.19\pm0.15$, similar to SNRs in normal galaxies. Based on simulations we argue that there are many relatively large and weak sources below our detection threshold. The observations can be explained by a mixed population of SNe and SNRs, where the former expand in a dense circumstellar medium (CSM) and the latter interact with the surrounding interstellar medium (ISM). Nine sources are likely luminous, type IIn SNe. This number of luminous SNe correspond to few percent of the total number of SNe in Arp 220 which is consistent with a total SN-rate of 4 yr$^{-1}$ as inferred from the total radio emission given a normal stellar initial mass function (IMF). Based on the fitted luminosity function, we argue that emission from all compact sources, also below our detection threshold, make up at most 20\% of the total radio emission at GHz frequencies.

研究の動機と目的

• 従来の研究を上回る検出・分類の精度を実現するため、Arp 220の20年間のVLBIデータを自己一貫性のある分析を実施する。
• SN/SNR集団のより良好な特徴付けを可能にするために、信頼性の高いサイズ推定値を有するコンパクト源の数を増やす。
• コンパクト源の放射度関数（LF）を導出し、Arp 220という極端な環境における放射度-直径（LD）関係の可能性を調査する。
• 非熱的粒子加速メカニズムを考慮した場合、未解像化または弱い源が全電波放射にどの程度寄与しているかを評価する。

提案手法

• 18 cmから2 cmの波長域をカバーする20年間のモニタリングから得られた23枚の高分解能VLBI画像の取得と再処理。
• すべてのデータセットで一貫したキャリブレーションと画像化手法を用い、可視性データへのモデルフィッティングにより、コンパクト源の放射度とサイズを推定。
• 光曲線、スペクトル指数、形態的サイズに基づく分類により、超新星（SNe）、超新星残骸（SNRs）、および可能性のあるAGN候補を区別。
• 最も明るい6 cm源に多周波数超新星光曲線モデルをフィットさせ、爆発エネルギーおよび周囲物質密度といった爆発パラメータを推定。
• 放射度関数の統計的解析と選択効果の調査により、放射度-直径関係の信頼性を評価。
• 将来の感度向上のためのスタッキングやタルミング技術の検討を含め、AGN寄与の可能性を、電波ジェットの探索と画像ノイズの非ガウス的特徴の分析を通じて評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Arp 220におけるコンパクト電波源の真の数と分布は何か？ 20年間のVLBIモニタリングにおいて、それらはどのように変化するか？
• RQ2 Arp 220におけるコンパクト源の放射度関数の形状は何か？ 通常の銀河におけるそれと比較するとどうなるか？
• RQ3 コンパクト源間に放射度-直径関係が存在するか？ それらの進化状態に何を示唆するか？
• RQ4 弱いまたは検出されない源は、全電波放射にどの程度寄与しているか？ 宇宙線の再加速といったメカニズムが欠落した電波fluxを説明できるか？
• RQ5 空間分解能の不足や周期的な活動性のため、データに隠れたAGN集団が存在する可能性は何か？ 今後の観測がその可能性をどのように制約できるか？

主な発見

• 本研究では、Arp 220で97個のコンパクト電波源が検出され、その放射度関数は $n(L)\propto L^{-2.19\pm0.15}$ に最もよく適合し、静止銀河におけるSNRsと整合的である。
• 源の空間的分布は、2つの核の星形成ディスクをトレースしており、継続的な星形成と強い相関があることが示された。
• 放射度-直径関係の証拠が得られたが、より大きな源はやや明るさが低い傾向にあり、選択効果の影響により正確な定量的評価が困難である。
• 観測された源集団は、非常に明るくコンパクトなSNe（おそらくIIn型）と、より大きく、明るさが低いSNRsの2つの異なるグループの組み合わせによって最もよく説明できる。
• 検出された非常に明るいSNeの数は、標準的な初期質量関数と全星形成率に基づく予測と整合的であるが、年齢推定値には不確実性が残っている。
• 検出限界以下の放射度関数を外挿すると、これらの源がGHz周波数帯で全電波放射の最大20％を占める可能性があると示唆され、残りの電波fluxは二次的宇宙線プロセスによって説明可能であると考えられる。