[論文レビュー] Type II supernovae progenitor and ejecta properties from the total emitted light, ET

Tomer Shussman, Ehud Nakar+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、初期同調的拡張期（1–10日）におけるタイプII超新星の全波長光度曲線から、強固な観測量としてET = Er × tを導入する。この量は、母星の包層特性と爆発エネルギーにのみ依存することを示し、包層質量が優勢な場合にET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2}（30%以内の精度）という明確な関係が成り立つことを明らかにした。これにより、観測されたETとスペクトルドップラー速度から、爆発エネルギー、母星半径、包層質量を直接的に制約可能となる。

ABSTRACT

It was recently shown that the bolometric light curves of type II supernovae (SNe) allow an accurate and robust measurement of the product of the radiation energy in the ejecta, $E_r$, and the time since the explosion, $t$, at early phases ($t\lesssim 10d$) of the homologous expansion. This observable, denoted here $ET \equiv E_rt$ is constant during that time and depends only on the progenitor structure and explosion energy. We use a 1D hydrodynamic code to find $ET$ of simulated explosions of 145 red supergiant progenitors obtained using the stellar evolution code MESA, and relate this observable to the properties of the progenitor and the explosion energy. We show that $ET$ probes only the properties of the envelope (velocity, mass and initial structure), similarly to other observables that rely on the photospheric phase emission. Nevertheless, for explosions where the envelope dominates the ejected mass, $M_{env}/M_{ej} \gtrsim 0.6$, $ET$ is directly related to the explosion energy $E_{exp}$ and ejected mass $M_{ej}$ through the relation $ET \approx 0.15 E_{exp}^{1/2} R_* M_{ej}^{1/2}$, where $R_*$ is the progenitor radius, to an accuracy better than $30\%$. We also provide relations between $ET$ and the envelope properties that are accurate (to within 20\%) for all the progenitors in our sample, including those that lost most of their envelope. We show that when the envelope velocity can be reasonably measured by line shifts in observed spectra, the envelope is directly constrained from the bolometric light curve (independent of $E_{exp}$). We use that to compare observations of 11 SNe with measured $ET$ and envelope velocity to our sample of numerical progenitors. This comparison suggests that many SNe progenitors have radii that are $\lesssim 500~R_\odot$. In the framework of our simulations this indicates, most likely, a rather high value of the mixing length parameter.

研究の動機と目的

• タイプII超新星の全波長光度曲線において、初期同調的拡張期にET = Er × tが測定可能かつ放射輸送に依存しない観測量として確立すること。
• 1次元流体力学的シミュレーションを用いて、ETを根本的な母星および爆発パラメータ（特に爆発エネルギー、母星半径、包層質量）と関連付けること。
• 複雑な放射輸送を回避するため、観測されたETとスペクトルドップラー速度から母星および爆発特性を推定する実用的で解析的なフレームワークを提供すること。
• 測定済みのETとドップラー速度を有する観測超新星11例を用いて、この手法を検証し、母星半径と混合長パラメータを制約すること。

提案手法

• MESA星の進化モデルから得られる145個の赤超巨星母星を用いた1次元流体力学的シミュレーションを実施し、初期質量、金属量、回転、混合長パラメータを変化させた。
• 初期同調的段階（1–10日）において、ET = Er × tを計算。ここでEr ∝ 1/t であるため、ETは定数となり、全波長光度曲線から直接測定可能である。
• ETと母星特性（R*, M_ej, M_env, v_env）との間の解析的関係を導出し、ETが主に包層構造と爆発エネルギーに依存することを示した。
• 包層質量割合M_env/M_ej ≥ 0.6 の場合、ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} が30%以内の精度で成り立つことを導出。
• 観測されたETとラインシフトから導かれる包層速度を用いて、11例の超新星における母星半径と爆発エネルギーを制約し、シミュレートされた母星と比較した。
• エネルギー保存則と断熱冷却の議論を用いて、ETが爆発エネルギーと母星構造の直接的プローブであることを正当化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ET = Er × t はタイプII超新星の全波長光度曲線から信頼性高く測定可能であり、放射輸送に依存しない観測量として利用可能か？
• RQ2 流体力学的シミュレーションを用いた超新星において、ETは母星半径、爆発エネルギー、包層質量とどのように関係しているか？
• RQ3 実際の超新星において、ETと観測された包層速度を用いることで、母星半径と爆発エネルギーをどの程度まで制約できるか？
• RQ4 多様な母星モデルにわたって、ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} の関係の精度はどの程度か？
• RQ5 11例の観測超新星におけるETと速度の測定結果から、母星半径と混合長パラメータについて何が示唆されるか？

主な発見

• ETは初期同調的拡張期（1–10日）に定数であり、放射輸送を経由せずに全波長光度曲線から直接測定可能である。
• 包層質量割合M_env/M_ej ≥ 0.6 の母星に対しては、ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} が30%以内の精度で成り立ち、爆発エネルギーと母星半径の直接的制約が可能となる。
• スペクトル線からのドップラー速度が測定可能な場合、ETは爆発エネルギーに依存せずに包層質量と半径を独立に制約可能である。
• 測定済みのETと速度を有する11例の観測超新星をシミュレートされた母星と比較した結果、大多数の母星が半径 ≤ 500 R☉であると示唆され、これは高い混合長パラメータを示唆する。
• 包層特性（速度、質量、構造）とETの関係は、包層の大部分を失った母星を含むすべてのシミュレートされた母星で20%以内の精度で成り立つ。
• ETは初期段階における56Niの崩壊と拡散にほとんど影響を受けないため、爆発エネルギーと母星構造の強固なプローブである。