[論文レビュー] Ultraviolet Spectroscopy and TARDIS Models of the Broad-lined Type-Ic Supernova 2014ad

Lindsey A. Kwok, Marc Williamson+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 96被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、HST/STISを用いて、広線幅Ic型超新星SN 2014adの最初の紫外線（UV）スパイクスを取得し、26件の地上望遠鏡光学スパイクスと併用した。TARDIS 1Dモンテカルロ放射線輸送モデルを用いた解析により、SN 2014adはv > 22,000 km s⁻¹の高エネルギー噴出物質を約3 M⊙必要としており、急勾配の密度プロファイルを示しており、以前の推定値よりも高い全噴出物質量を示唆している。これは、密度プロファイルがやや平坦であるか、中心からの放射が存在する可能性によるものである。

ABSTRACT

Few published ultraviolet (UV) spectra exist for stripped-envelope supernovae, and none to date for broad-lined Type Ic supernovae (SN Ic-bl). These objects have extremely high ejecta velocities and are the only supernova type directly linked to gamma-ray bursts (GRBs). Here we present two epochs of HST/STIS spectra of the SN Ic-bl 2014ad, the first UV spectra for this class. We supplement this with 26 new epochs of ground-based optical spectra, augmenting a rich spectral time series. The UV spectra do not show strong features and are consistent with broadened versions of other SN Ic spectra observed in the UV. We measure Fe II 5169 Angstrom velocities and show that SN 2014ad has even higher ejecta velocities than most SNe Ic both with and without observed GRBs. We construct models of the SN 2014ad UV+optical spectra using TARDIS, a 1D Monte-Carlo radiative-transfer spectral synthesis code. The models fit the data well at multiple epochs in the optical but underestimate the flux in the UV, likely due to simplifying assumptions. We find that high densities at high velocities are needed to reproduce the spectra, with $\sim$3 M$_\odot$ of material at $v >$ 22,000 km s$^{-1}$, assuming spherical symmetry. Our nebular line fits suggest a steep density profile at low velocities. Together, these results imply a higher total ejecta mass than estimated from previous light curve analysis and expected from theory. This may be reconciled by a flattening of the density profile at low velocity and extra emission near the center of the ejecta.

研究の動機と目的

• 広線幅Ic型超新星（SN Ic-bl）という、ガンマ線バースト（GRBs）と直接関連するレアなクラスの、最初の公表UVスパイクスを取得・分析すること。
• 複数エポックのUVおよび光学スパイクスを用いて、SN 2014adの爆発物理学、前身星の性質、および噴出物構造を理解すること。
• 標準的なTARDISモデリングが観測されたUV+光学スパイクスを再現できるかどうかを検証し、噴出物質量および密度構造に与える影響を評価すること。
• SN 2014adを他の相対論的SN Ic-blおよびSN-GRBsと比較し、高エネルギー噴出物と中心駆動源との関係を探ること。

提案手法

• 初期段階で、Hubble Space Telescope/Space Telescope Imaging Spectrograph（HST/STIS）を用いて、SN 2014adの2エポック分のUVスパイクスを取得した。
• 複数の観測所から得た26件の地上光学スパイクスを統合し、高密度なスペクトル時系列データを構築した。
• TARDIS 1Dモンテカルロ放射線輸送コードを用いて、噴出物の物理的モデルからUVおよび光学スパイクスを合成した。
• 複数のエポックにおける観測スペクトルにモデルをフィットさせ、密度、組成、速度構造を変化させ、データに一致するように調整した。
• 球対称性の影響および潜在的な非対称性がモデル結果に与える影響を評価したが、1Dモデリングの限界を認識した。
• 中性状態の線幅（例：[O I] 6300/6364 Å）を用いて、低速度領域の密度構造を推定し、全噴出物質量を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2014adのUVおよび光学スパイクスから、噴出物質の物理的性質はどのように明らかになるか？
• RQ2 得られた噴出物速度および質量は、光曲線解析や他のSN Ic-blからの従来の推定値と比較してどう異なるか？
• RQ3 1D TARDISモデルが観測されたUVフラックスをどの程度再現できるか。その乖離がモデル仮定に何を示唆するか？
• RQ4 SN 2014adの噴出物質に想定される密度構造は何か。標準モデルとはどのように異なるか？
• RQ5 SN 2014adはSN-GRB前身星系と整合的か、それとも相対論的SN Ic-blの別クラスを示唆するか？

主な発見

• SN 2014adは極めて高い噴出物速度を示しており、Fe II 5169 Å線がv > 22,000 km s⁻¹に達しており、あらゆるSN Icで観測された中で最も高い速度の一つである。
• UVスパイクスは広帯域で特徴のない吸収を示しており、他のSN Icスパイクスのドップラー拡張版に一致するが、強いUV特徴は観測されない。
• TARDISモデルは複数エポックで光学スパイクスをよく再現するが、UVフラックスを系atically低く見積もっており、現在の1Dモデリングの限界または欠落した物理的要因を示唆している。
• モデルはv > 22,000 km s⁻¹の領域に約3 M⊙の物質を必要としており、極めて非対称的または中心に集中した質量分布を示唆している。
• ニューラル線フィッティングにより、低速度領域で急勾配の密度プロファイルが示唆され、光曲線からの従来推定値よりも高い全噴出物質量が示唆された。
• 結果から、低速度領域でやや平坦な密度プロファイルと、中心からの放射が存在する可能性が示唆され、観測された光曲線と高い質量を整合させるための妥当な説明が得られた。