[論文レビュー] The Search for Failed Supernovae with the Large Binocular Telescope: N6946-BH1, Still No Star

C. Basinger, C. S. Kochanek+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 50被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、大型望遠鏡（LBT）、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）、スピッツァー宇宙望遠鏡（SST）を用いた、失敗した超新星候補N6946-BH1の新しい光学・近赤外・中赤外観測と、チャンドラX線非検出結果を報告する。2009年の爆発以降11年間にわたり、光学的・近赤外的領域での再発光は認められず、近赤外の輝度は2倍に減少しており、ほこりで覆われた恒星の残骸や持続的風の痕跡は観測されない。これらのデータは、恒星が可視光爆発を伴わずに直接ブラックホールへ崩壊したという失敗した超新星の状況を強く支持しており、恒星の消失を説明する他の妥当な説明は存在しない。

ABSTRACT

We present new Large Binocular Telescope, Hubble Space Telescope, and Spitzer Space Telescope data for the failed supernova candidate N6946-BH1. We also report an unsuccessful attempt to detect the candidate with Chandra. The ~300,000 Lsun red supergiant progenitor underwent an outburst in 2009 and has since disappeared in the optical. In the LBT data from May 2008 through October 2019, the upper limit on any increase in the R-band luminosity of the source is 2000 Lsun. HST and Spitzer observations show that the source continued to fade in the near-IR and mid-IR, fading by approximately a factor of 2 between October 2015 and September 2017 to 2900 Lsun at H band (F160W). Models of the spectral energy distribution are inconsistent with a surviving star obscured either by an ongoing wind or dust formed in the transient. The disappearance of N6946-BH1 remains consistent with a failed supernova.

研究の動機と目的

• N6946-BH1が、明るい爆発を伴わずに質量の大きな星が直接ブラックホールへ崩壊する『失敗した超新星』であるという仮説を検証すること。
• 光学・近赤外・中赤外バンドをカバーする多波長モニタリングを用いて、生存恒星がほこりで遮蔽されているか、あるいは風によって覆われているかを特定すること。
• 新しく形成されたブラックホールへの降着物質の降着から生じるX線放射を探索し、失敗した超新星モデルを支持する証拠を得ること。
• 巨大でほこりだらけの殻や長期間にわたって遮蔽された恒星といった代替説を除外すること。

提案手法

• 2008年5月から2019年10月まで、大型望遠鏡（LBT）を用いてRバンドで複数エポックの光度測定を実施し、再発光の有無をモニタリングした。
• 2015年および2017年に、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）のWFC3/IR F110W（J）およびF160W（H）バンド画像を取得し、近赤外領域での変動を追跡した。
• 2016年および2018年に、スピッツァー宇宙望遠鏡（SST）を用いて4.5 µm観測を実施し、中赤外領域の輝度変化をモニタリングした。
• 2015年と2017年のHSTデータを比較するため、dolphotおよびdrizzlepacを用いて差分画像法と光度測定を実施し、2007年の爆発前画像を位置合わせ基準とした。
• 球対称なほこりの殻に覆われた生存恒星を仮定したスペクトルエネルギー分布（SED）モデルを構築し、光学的厚さの時間的変化をテストした。
• チャンドラX線観測を実施し、降着物質の降着から生じるX線放射を探索し、X線輝度の上限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2009年の爆発以降、N6946-BH1は光学的・近赤外領域で再発光したか？　これは生存恒星の存在を示唆する。
• RQ2 光源の減光が、ほこりの殻が一定速度で拡張するというモデルに従うか？　これはほこりによる遮蔽モデルの予測である。
• RQ3 以前のモデルが示唆したように、濃い持続的星風の影響で光源が隠されている可能性はあるか？
• RQ4 チャンドラ観測によるX線非検出は、ブラックホールへの降着物質の降着を除外するものか？
• RQ5 観測されたSEDの時間的変化は、前身星と同等の温度を持つ生存恒星のものと一致するか？　それとも、はるかに高温で本質的に暗い恒星を必要とするか？

主な発見

• 11年間にわたり、N6946-BH1のRバンドの輝度は2000 L⊙を超えて上昇しなかった。これは再発光の可能性に対する厳しい上限を示している。
• 2015年10月から2017年9月にかけて、近赤外領域（Hバンド：F160W）での輝度は4600 L⊙から2900 L⊙に約2倍に減少した。
• スペクトルエネルギー分布（SED）モデルの結果、2015年から2017年の間に光学的厚さの変化が認められないことは、拡張するほこりの殻による遮蔽とは整合しない。これは、この遮蔽機構を除外する。
• チャンドラX線観測により、10 M⊙のブラックホールのX線輝度上限が4.2 × 10⁻³ L_Eddに設定された。これは、検出可能な降着物質の降着が存在しないことと整合的である。
• 持続的星風による遮蔽は除外される。なぜなら、このような風は観測可能な近赤外領域の放射を発生させるはずであり、それが観測されないからである。
• 光源の輝度は前身星の約1％にまで低下しており、爆発からほぼ10年経過しても再発光の兆候は見られず、失敗した超新星の状況を支持する。