[論文レビュー] Thermal Emission and Radioactive Lines, but No Pulsar, in the Broadband X-Ray Spectrum of Supernova 1987A

Dennis Alp, Josefin Larsson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 179被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、超新星1987AのNuSTAR 3.3 Msおよび20年間のXMM-Newton X線データを分析し、広帯域X線スペクトルが0.3、0.9、4 keVの3つの熱的衝撃成分によって最もよく説明され、非熱的成分やパルサーの証拠は見当たらないことを明らかにした。放射性同位体44Tiおよび55Feの線が検出され、44Ti質量は1.73×10⁻⁴ M⊙と制限された。任意のコンact対象の35–65 keVでの放射率上限は2×10³⁴ erg s⁻¹であり、10–20 keVのフラックスの15%未満がパルス的であることが判明した。

ABSTRACT

Supernova 1987A offers a unique opportunity to study an evolving supernova in unprecedented detail over several decades. The X-ray emission is dominated by interactions between the ejecta and the circumstellar medium, primarily the equatorial ring (ER). We analyze 3.3 Ms of NuSTAR data obtained between 2012 and 2020, and two decades of XMM-Newton data. Since ${\sim}$2013, the flux below 2 keV has declined, the 3-8 keV flux has increased, but has started to flatten, and the emission above 10 keV has remained nearly constant. The spectra are well described by a model with three thermal shock components. Two components at 0.3 and 0.9 keV are associated with dense clumps in the ER, and a 4 keV component may be a combination of emission from diffuse gas in the ER and the surrounding low-density H II region. We disfavor models that involve non-thermal X-ray emission and place constraints on non-thermal components, but cannot firmly exclude an underlying power law. Radioactive lines show a $^{44}$Ti redshift of $670^{+520}_{-380}$ km s$^{-1}$, $^{44}$Ti mass of $1.73_{-0.29}^{+0.27} imes{}10^{-4}$ solar masses, and $^{55}$Fe mass of $<4.2 imes{}10^{-4}$ solar masses. The 35-65 keV luminosity limit on the compact object is $2 imes{}10^{34}$ erg s$^{-1}$, and $<15$% of the 10-20 keV flux is pulsed. Considering previous limits, we conclude that there are currently no indications of a compact object, aside from a possible hint of dust heated by a neutron star in recent ALMA images.

研究の動機と目的

• 0.5–60 keVエネルギー領域における超新星1987AのX線放射の性質を特定すること。
• スペクトルモデリングとフラックス変動の分析を通じて、非熱的放射またはパルサー風ネビュラの存在を検証すること。
• 核合成生成物の推定と爆発メカニズムの制限に役立てるために、44Tiおよび55Feの放射性線パラメータを測定すること。
• コンパクト対象のX線放射率とパルス分率にきめ細かい制限を課すこと。
• 広帯域X線スペクトルにおける熱的成分と非熱的成分の寄与割合を評価すること。

提案手法

• 2012–2020年のNuSTARデータ（3.3 Ms）と20年間のXMM-Newton観測の統合的分析。
• 0.3、0.9、4 keVの温度を持つ3成分熱的衝撃モデルを用いたスペクトルフィッティング。
• 44Ti（67.87、78.32 keV）および55Fe（5.9 keV）の放射性崩壊線のモデリング、赤方偏移と質量測定を含む。
• 非熱的パワー・レイト成分を含むモデルと含まないモデルの統計的比較により、その必要性を評価。
• 離散的成分フィットの妥当性を検証するため、連続的温度分布モデルの使用。
• 10–20 keV帯のパルス分率分析により、仮説的なパルサーからの放射を制限。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 1987AのX線放射は主に熱的起源か、非熱的起源か？
• RQ2 赤道環および周囲媒体内の衝撃成分の物理的温度と放射度は何か？
• RQ3 放射性崩壊線から推定される44Tiおよび55Feの質量と運動的性質は何か？
• RQ4 X線放射率とパルス分率の制限に基づいて、パルサーやパルサー風ネビュラを除外できるか？
• RQ5 X線光曲線と硬度比は時間経過とともにどのように変化し、衝撃ダイナミクスに何を示唆するか？

主な発見

• X線スペクトルは、0.3 keV（赤道環内の高密度クラウド）、0.9 keV（拡散的ERまたはH II領域）、4 keV（拡散ガスとH II領域の組み合わせ）の3つの熱的衝撃成分によって最もよくフィットする。
• 44Tiの赤方偏移は670+520−380 km s−1で測定され、1.73+0.27−0.29 × 10⁻⁴ M⊙の44Ti質量と一致し、非対称爆発モデルを支持する。
• 55Fe質量は4.2 × 10⁻⁴ M⊙未満に制限され、この核種の生成が限定的であることが示された。
• 任意のコンパクト対象の35–65 keVでの放射率上限は2 × 10³⁴ erg s⁻¹であり、明るいパルサーやマグネターを除外する。
• 10–20 keVのフラックスの15%未満がパルス的であるため、回転する中性子星の証拠はない。
• 顕著な非熱的成分は必要とせず、すべてのスペクトル特徴は熱的放射と放射性線で十分に説明できる。