[論文レビュー] VERITAS and Fermi-LAT constraints on the Gamma-ray Emission from Superluminous Supernovae SN2015bn and SN2017egm

A. Acharyya, C. B. Adams+57 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、VERITAS（VHE；100 GeV–100 TeV）およびFermi-LAT（100 MeV–30 TeV）を用いて、2つの水素欠乏型超光度超新星（SLSNe-I）、SN2015bnおよびSN2017egmからの高エネルギー電磁線放射を探索した。検出されなかったが、導かれた上限は予測されたマグネターの回転減衰光度に近づき、マグネター駆動エネルギー注入が噴出物を加熱するモデルを制約した。本結果は、CTAおよびVERITASを用いた将来のVHE電磁線放射探索の重要な基準を提供する。

ABSTRACT

Superluminous supernovae (SLSNe) are a rare class of stellar explosions with luminosities ~10-100 times greater than ordinary core-collapse supernovae. One popular model to explain the enhanced optical output of hydrogen-poor (Type I) SLSNe invokes energy injection from a rapidly spinning magnetar. A prediction in this case is that high-energy gamma rays, generated in the wind nebula of the magnetar, could escape through the expanding supernova ejecta at late times (months or more after optical peak). This paper presents a search for gamma-ray emission in the broad energy band from 100 MeV to 30 TeV from two Type I SLSNe, SN2015bn, and SN2017egm, using observations from Fermi-LAT and VERITAS. Although no gamma-ray emission was detected from either source, the derived upper limits approach the putative magnetar's spin-down luminosity. Prospects are explored for detecting very-high-energy (VHE; 100 GeV - 100 TeV) emission from SLSNe-I with existing and planned facilities such as VERITAS and CTA.

研究の動機と目的

• SLSNe-Iのマグネター駆動モデルを検証するため、SN2015bnおよびSN2017egmからの高エネルギー電磁線放射を探索すること。
• マグネター風ネビュラからの電磁線放射が遅発期の超新星噴出物を通過して逃げる際の期待される電磁線光度を制約すること。
• 現在の（VERITAS）および将来の（CTA）機器を用いたSLSNe-IからのVHE電磁線放射の検出可能性を評価すること。
• 光学的厚さおよび時間遅延がSLSNe-Iにおける電磁線放射の可視性に与える影響を評価すること。
• SLSNe-Iにおける異なる波長帯域での最初のマルチバンド電磁線上限を、光度ピーク後の異なる時期に提供すること。

提案手法

• SN2015bnおよびSN2017egmの長期間にわたる観測を対象として、Fermi-LAT（100 MeV–30 TeV）およびVERITAS（100 GeV–100 TeV）データの統合解析を実施した。
• 回転エネルギーおよび減衰 timescale を用いて電磁線放射を予測するマグネター回転減衰光度モデル（Lmag(t) = Erot / τp²(1 + 2t/τp)²）を用いた。
• 高エネルギー光子の放出分率を推定するため、電磁線光学的厚さモデル τγ = At⁻² と有効な不透明度 κγ を適用した。
• 時間積分拡散モデル（式A3）を用いて全光度 Ltot(t) を計算し、熱化分率（1 − e⁻ᴬᵗ⁻²）を用いて電磁線放出光度 Lγ = Ltot − Lopt を算出した。
• Fermi-LATおよびVERITASの機器応答関数を用いて、尤度に基づく解析により電磁線フラックスの上限を計算した。
• SLSNe-Iの発生率、距離、観測時間制約（10時間および50時間の積分）に基づき、VERITASおよびCTAの検出率を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のVHEおよびHE機器で、マグネター駆動SLSNe-Iからの高エネルギー電磁線放射が検出可能かどうか。
• RQ2 SLSNe-Iの電磁線上限が、SN2015bnおよびSN2017egmの予測されたマグネター回転減衰光度と比較してどの程度か。
• RQ3 VERITASおよび将来のCTAを用いたSLSNe-IからのVHE電磁線放射の予想検出率はどの程度か。
• RQ4 噴出物の光学的厚さが、遅発期における電磁線放射の放出をどの程度抑制するか。
• RQ5 電磁線非検出と整合する発光メカニズム（マグネター、衝撃加速、ブラックホールジェット）はどれか。

主な発見

• Fermi-LATおよびVERITASを用いて、100 MeV～30 TeVのエネルギー範囲でSN2015bnおよびSN2017egmからの顕著な電磁線放射は検出されなかった。
• 95%信頼区間の電磁線フラックス上限は、両SLSNe-Iの予測マグネター回転減衰光度に近づいた。
• 上限は、両SLSNe-Iにおいて、降着による降着物の再吸収によって駆動される相対論的ジェットが存在しないことを排除した。
• VERITASでは、10時間の観測で年間0.4件のSLSNe-Iを検出可能であり、50時間の積分では年間4件に増加する。
• CTAでは、10時間の観測で年間8件、50時間の積分では年間80件の検出が予想される。
• 本解析により、近距離かつ明るい源であれば、現在および次世代のIACTを用いたSLSNe-IからのVHE電磁線放射が実際に検出可能であることが確認された。