[論文レビュー] Type II supernovae Early Light Curves

Tomer Shussman, Roni Waldman+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、124体の赤超巨星系の前身星の数値シミュレーションと解析理論を組み合わせることで、タイプII超新星の初期光曲線を補正した解析的モデルを提示する。このモデルは、爆発エネルギー、噴出物質量、前身星半径の3つのパラメータのみに依存し、初期観測から前身星の性質を正確に制約可能である。ボリオメトリック光度は25–35%の精度で、温度は15%の精度で予測できる。

ABSTRACT

Observations of type II supernova early light, from breakout until recombination, can be used to constrain the explosion energy and progenitor properties. Currently available for this purpose are purely analytic models, which are accurate only to within an order of magnitude, and detailed numerical simulations, which are more accurate but are applied to any event separately. In this paper we derive an analytic model that is calibrated by numerical simulations. This model is much more accurate than previous analytic models, yet it is as simple to use. To derive the model we analyze simulated light curves from numerical explosion of $124$ red supergiant progenitors, calculated using the stellar evolution code MESA. We find that although the structure of the progenitors we consider varies, the resulting light curves can be described rather well based only on the explosion energy, ejecta mass and progenitor radius. Our calibrated analytic model, which is based on these three parameters, reproduces the bolometric luminosity within $25\%-35\%$ accuracy and the observed temperature within $15\%$ accuracy (compared to previous analytic models which are indeed found to be accurate only to within an order of magnitude). We also consider deviations of the early time spectrum from blackbody, and find that the Rayleigh-Jeans regime is slightly shallower (roughly $L_ν\propto ν^{1.4}$). This modified spectrum affects the optical/near-UV light curve mostly during the first day when the typical observed temperature is $\gg 10^4 ~^\circ$K. We use our results to study the optical and near-UV early light curves from first light until recombination and briefly discuss what can be learned from current and future observations. Light curves generated using our calibrated model can be downloaded at http://www.astro.tau.ac.il/~tomersh/.

研究の動機と目的

• タイプII超新星の初期光曲線を、詳細な数値シミュレーションと同等の精度でかつ使いやすい解析的モデルとして開発すること。
• MESA星の進化コードを用いて生成した124体の赤超巨星系の前身星の数値シミュレーションを用いて、モデルを補正すること。
• 特に光学および近赤外帯で、初期時刻の観測から爆発エネルギー、噴出物質量、前身星半径を強く制約可能にする。
• レイリー＝ジーンズ領域における黒体スペクトルからのずれを定量的に評価し、初期光曲線に与える影響を評価すること。
• 単一バンド光曲線観測からの前身星半径および爆発パラメータの推定の信頼性を向上させること。

提案手法

• MESA星の進化コードを用いて、124体の赤超巨星系の前身星の数値シミュレーションを実施し、衝撃ブレイクアウトから再結合までの光曲線を生成した。
• 爆発エネルギー、噴出物質量、前身星半径を変化させながら、表面近傍の前身星構造を一定に保った。
• 流体力学および放射輸送の原則に基づいた解析的関係を導出し、シミュレートされた光曲線に一致するように補正した。
• モデルは、ボリオメトリック光度および観測温度を、爆発エネルギー、噴出物質量、前身星半径の関数として記述する。
• スペクトルの黒体からのずれを解析的にモデル化し、周波数依存の光学率のため、レイリー＝ジーンズ領域では $L_{\nu} \propto \nu^{1.4}$ となることを示した。
• 補正されたモデルを用いて、光学および近赤外帯の光曲線を合成し、多バンド挙動およびピーク特性を研究した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解析的モデルは、タイプII超新星の初期光曲線のボリオメトリック光度および観測温度をどの程度の精度で予測できるか？
• RQ2 初期光曲線の性質は、爆発エネルギー、噴出物質量、前身星半径にどの程度依存するか？
• RQ3 特にレイリー＝ジーンズ領域における黒体からのずれが、初日における光学および近赤外光曲線に与える影響は何か？
• RQ4 単一バンド光曲線のピークの正確な特定に依存する前身星半径の推定値は、どの程度感度が高いか？
• RQ5 本モデルは、現在および将来の初期時刻観測から、前身星および爆発パラメータの制約をどのように改善できるか？

主な発見

• 補正された解析的モデルは、初日にはボリオメトリック光度を25%の精度で再現し、その後の時期には35%の精度で再現する。
• 観測温度は15%の精度で予測されており、従来の解析モデルが1桁の精度しか得られなかったのと比べて顕著に向上している。
• レイリー＝ジーンズ領域における黒体からのずれは、$L_{\nu} \propto \nu^{1.4}$ をもたらし、$T_{\rm obs} \gg 10^4~{}^\circ\mathrm{K}$ の初日には光学および近赤外光曲線に顕著な影響を与える。
• UV光曲線は、衝撃ブレイクアウトに由来する最初のピーク（時定数 $R_*/c$）を示し、その後は緩やかな低下を示し、スペクトルピークがUVバンドより下にシフトする際に急激に低下する。
• 2番目の光学ピークの時刻は前身星半径に最も敏感であるが、単一バンド観測からの $R_*$ の推定値はピークの特定に極めて敏感であり、ピークが0.1–0.2 mag誤差するだけで、誤差が50%に達する可能性がある。
• 光度がピークから0.1–0.2 magだけ暗くなるとき、観測温度は再結合温度よりも約25–40%高い。これは、正確なパrameter制約のためには多バンドデータの必要性を強調している。