[論文レビュー] The rise and fall of the Type Ib supernova iPTF13bvn - Not a massive Wolf-Rayet star

C. Fremling, J. Sollerman+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 36被引用数 46

ひとこと要約

本研究は、広範な光度測定および分光的データを用いて、Type Ib超新星 iPTF13bvn の前身星を再評価し、以前に提唱された単一の巨大なWolf-Rayet星の状況を否定する。全放射光度曲線の流体力学的モデリングにより、低質量の噴出物質量（1.9 M⊙）および低質量の⁵⁶Ni質量（0.05 M⊙）が得られ、巨大なWR星の前身星とは整合しない。これは、むしろ低質量の連星系である可能性を示唆する。

ABSTRACT

We investigate iPTF13bvn, a core-collapse (CC) supernova (SN) in the nearby spiral galaxy NGC 5806. This object was discovered by the intermediate Palomar Transient Factory very soon after the explosion and was classified as a stripped-envelope CC SN, likely of Type Ib. A possible progenitor detection in pre-explosion Hubble Space Telescope (HST) images was reported, making this the only SN Ib with such an identification. Based on photometry of the progenitor candidate and on early-time SN data, it was argued that the progenitor candidate is consistent with a single, massive Wolf-Rayet (WR) star. In this work we present follow-up multi-band light-curves and optical spectra of iPTF13bvn. We perform spectral line analysis to track the evolution of the SN ejecta, construct a bolometric light curve and perform hydrodynamical calculations to model this light curve to constrain the synthesized radioactive nickel mass and the total ejecta mass of the SN. Late-time photometry is analyzed to constrain the amount of oxygen. Furthermore, image registration of pre- and post-explosion HST images is performed. Our HST astrometry confirms the location of the progenitor candidate, and follow-up spectra securely classify iPTF13bvn as a SN Ib. Our hydrodynamical model indicates an ejecta mass of 1.9 solar masses and radioactive nickel mass of 0.05 solar masses. The model fit requires the nickel to be highly mixed out in the ejecta. The late-time nebular r'-band luminosity is not consistent with predictions based on the expected oxygen nucleosynthesis in very massive stars. Our bolometric light curve of iPTF13bvn is not consistent with the previously proposed single massive WR-star progenitor scenario. The ejecta mass and the late-time oxygen emission are both significantly lower than what would be expected from a single WR progenitor with a main-sequence mass of at least 30 solar masses.

研究の動機と目的

• iPTF13bvnの前身星検出を、爆発前のハッブル宇宙望遠鏡（HST）画像で確認すること。
• 追加の可視光分光測定を用いて、iPTF13bvnを堅固に分類すること。
• iPTF13bvnの観測された光度測定および分光的進化が、単一の巨大なWolf-Rayet星の前身星と整合するかどうかを検証すること。
• 全放射光度曲線の流体力学的モデリングを通じて、噴出物質量および⁵⁶Ni質量を制約すること。
• 非常に質量の大きな星からの酸素ニュクレオシントシスが予測するものと比較して、遅発光度測定の結果が酸素生成と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• 爆発前後におけるHST画像のアストロメトリ位置を確認するため、画像の位置合わせを実施した。
• 初期段階から遅発段階にわたる多バンド光度測定（UBVRI、g′r′i′z′）から全放射光度曲線を構築した。
• Arnett（1982）の半アナリティカルモデルおよびCano（2013）の手法を用いて、全放射光度曲線を解釈した。
• 光度曲線のモデリングおよび全噴出物質量および⁵⁶Ni質量の制約に、流体力学コードHYDEを用いた。
• 遅発光度測定のネバラルr′バンド光度を分析し、酸素質量を推定し、非常に質量の大きな星の核合成予測と比較した。
• フォローアップ可視光分光スペクトルを用いた標準的なスペクトル線解析により、噴出物速度の進化を追跡し、SN Ib分類を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 爆発前のHST画像で特定された前身星候補は、実際にiPTF13bvnの爆発位置と一致しているか？
• RQ2 iPTF13bvnの光度測定および分光的進化は、単一の巨大なWolf-Rayet星を前身星として持つことを支持するか？
• RQ3 全放射光度曲線の流体力学的モデリングから推定される噴出物質量および⁵⁶Ni質量はそれぞれどれくらいか？
• RQ4 観測された遅発光度測定のネバラル光度は、初期質量が30 M⊙以上の星からの酸素生成予測と整合するか？
• RQ5 iPTF13bvnの観測された性質は、単一星進化モデルで説明可能か、それとも連星相互作用モデルがより妥当か？

主な発見

• HSTアストロメトリにより、前身星候補が爆発位置に位置しており、位置ずれが80 mas未塔であることが確認された。
• フォローアップ分光測定により、iPTF13bvnがタイプIb超新星として確実に分類され、光球層速度は通常のSNe Ibと整合した。
• 全放射光度曲線の流体力学的モデリングにより、全噴出物質量は1.9 M⊙、⁵⁶Ni質量は0.05 M⊙と得られた。
• 観測された光度曲線を再現するには、噴出物内に強く混合された⁵⁶Niが必要であり、非対称な混合を示唆する。
• 遅発光度測定のネバラルr′バンド光度は、非常に質量の大きな星（≥30 M⊙ ZAMS）からの酸素核合成予測と整合しない。
• 低質量の噴出物および低酸素放射は、単一の巨大なWolf-Rayet星の前身星を排除し、むしろ低質量の連星系を支持する。