[논문 리뷰] A sub-solar metallicity is required for superluminous supernova progenitors

T. W. Chen, S. J. Smartt외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 초광위성 초신성(SLSN)의 원천 항성들이 태양 금속성 이하의 금속성을 요구하며, 주변 은하의 금속성에 대해 약 ~0.5 Z_sun 이하의 상한선이 있음을, 18개의 저 redshift SLSN 주변 은하 샘플을 바탕으로 밝혀냈다. 저자들은 낮은 금속성을 자장모터가 추진하는 밝기와 연결하여, 주변 은하의 금속성과 필수 초기 자장모터의 회전 속도 사이에 상관관계가 있음을 제안한다.

ABSTRACT

Host galaxy properties provide strong constraints on the stellar progenitors of superluminous supernovae. By comparing a sample of 18 low-redshift superluminous supernova hosts to a volume-limited galaxy population in the local Universe, we show that sub-solar metallici- ties seems to be a requirement. All superluminous supernovae in hosts with high measured gas-phase metallicities are found to explode at large galactocentric radii, indicating that the metallicity at the explosion site is likely lower than the integrated host value. We also confirm that high specific star-formation rates are a feature of superluminous supernova host galaxies, but interpret this as simply a consequence of the anti-correlation between gas-phase metallic- ity and specific star-formation rate and the requirement of on-going star formation to produce young, massive stars greater than ~ 10-20 M_sun . Based on our sample, we propose an upper limit of ~ 0.5 Z_sun for forming superluminous supernova progenitors (assuming an N2 metal- licity diagnostic and a solar oxygen abundance of 8.69). Finally, we show that if magnetar powering is the source of the extreme luminosity then the required initial spins appear to be correlated with metallicity of the host galaxy. This correlation needs further work, but if it holds it is a powerful link between the supernova parameters and nature of the progenitor population.

연구 동기 및 목표

• 초광위성 초신성(SLSN) 원천 항성 형성에 필요한 금속성 조건을 규명하는 것.
• 관측된 SLSN 주변 은하의 금속성과 거대 항성 형성에 대한 이론적 기대 사이의 갈등을 해결하는 것.
• SLSN 주변 은하에서 높은 특정 별 형성률이 직접 원인인지, 아니면 낮은 금속성의 부산물인지 조사하는 것.
• 주변 은하의 금속성과 추진 자장모터의 초기 자장 속도 사이의 잠재적 연관성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 저 redshift SLSN 주변 은하 18개의 샘플을 부피 제한된 제어 샘플인 국지 은하와 비교하였다.
• 가스 상 금속성 측정치를 N2 진단법을 사용하여 주변 은하의 금속성을 추정하였다.
• SLSN의 은하 내 공간 분포를 분석하여 폭발 현장의 국지 금속성을 추론하였다.
• SLSN 주변 은하에서 특정 별 형성률(sSFR)과 금속성의 상관관계를 검토했다.
• 자장모터가 추진하는 밝기의 영향을 고려하여, 주변 은하의 금속성에 따라 필요한 초기 자장모터의 자장 속도를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초광위성 초신성 원천 항성에 대해 주변 은하의 금속성 상한선은 무엇인가?
• RQ2 왜 SLSNe는 높은 특정 별 형성률을 가진 주변 은하에 주로 발생하는가?
• RQ3 관측된 SLSN 주변 은하의 금속성은 폭발 현장의 금속성을 대표하는가, 아니면 국지 금속성이 더 낮은가?
• RQ4 주변 은하의 금속성과 추진 자장모터의 초기 자장 속도 사이에 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 고금속성 주변 은하에서의 모든 SLSNe는 은하 중심에서 멀리 떨어진 곳에서 폭발하며, 이는 폭발 현장의 국지 금속성이 아마도 태양 이하일 것임을 시사한다.
• 이 연구는 SLSN 원천 항성 형성에 대해 약 ~0.5 Z_sun 이하의 금속성 상한선을 확립하였으며, 이는 N2 금속성 진단법과 태양 산소 농도 8.69를 가정할 때 성립한다.
• SLSN 주변 은하에서의 높은 특정 별 형성률은 직접 원인보다는 금속성과 sSFR 사이의 반비례 관계의 결과이다.
• 높은 초기 자장모터 자장 속도가 요구되는 것은 주변 은하의 금속성과 상관관계가 있으며, 원천 항성의 성질과 금속성 사이에 물리적 연관성이 있음을 시사한다.
• 태양 이하의 금속성은 SLSN 원천 항성 형성에 필수 조건이며, 낮은 금속성의 거대 항성에 유리한 이론 모델과 일치한다.
• 결과는 자장모터가 추진하는 모델이 SLSN 밝기의 근거임을 지지하며, 금속성이 필요한 자장 속도에 영향을 미친다.