[논문 리뷰] A Trio of GRB-SNe: GRB 120729A, GRB 130215A / SN 2013ez and GRB 130831A / SN 2013fu

Z. Cano, A. de Ugarte Postigo외 63명|2014. 05. 13.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 6인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 세 개의 감마선 폭발 초신성(GRB-SNe): GRB 120729A, GRB 130215A/SN 2013ez, 그리고 GRB 130831A/SN 2013fu의 광학 및 근적외선 광도계 측정과 스펙트로스코피를 제시한다. 연구는 GRB-SN에서 측정된 바 있는 가장 낮은 팽창 속도인 4000–6350 km s⁻¹를 SN 2013ez에서 관측하였으며, 니켈 질량과 폭발 에너지가 다른 GRB-SNe들과 일치함을 확인하여, 이들이 거대하고 빠르게 회전하는 원형 항성과 관련이 있음을 지지한다.

ABSTRACT

We present optical and near-infrared (NIR) photometry for three gamma-ray burst supernovae (GRB-SNe): GRB 120729A, GRB 130215A / SN 2013ez and GRB 130831A / SN 2013fu. In the case of GRB 130215A / SN 2013ez, we also present optical spectroscopy at t-t0=16.1 d, which covers rest-frame 3000-6250 Angstroms. Based on Fe II (5169) and Si (II) (6355), our spectrum indicates an unusually low expansion velocity of 4000-6350 km/s, the lowest ever measured for a GRB-SN. Additionally, we determined the brightness and shape of each accompanying SN relative to a template supernova (SN 1998bw), which were used to estimate the amount of nickel produced via nucleosynthesis during each explosion. We find that our derived nickel masses are typical of other GRB-SNe, and greater than those of SNe Ibc that are not associated with GRBs. For GRB 130831A / SN 2013fu, we use our well-sampled R-band light curve (LC) to estimate the amount of ejecta mass and the kinetic energy of the SN, finding that these too are similar to other GRB-SNe. For GRB 130215A, we take advantage of contemporaneous optical/NIR observations to construct an optical/NIR bolometric LC of the afterglow. We fit the bolometric LC with the millisecond magnetar model of Zhang & Meszaros (2001), which considers dipole radiation as a source of energy injection to the forward shock powering the optical/NIR afterglow. Using this model we derive an initial spin period of P=12 ms and a magnetic field of B=1.1 x 10^15 G, which are commensurate with those found for proposed magnetar central engines of other long-duration GRBs.

연구 동기 및 목표

• 세 개의 GRB-SNe인 GRB 120729A, GRB 130215A/SN 2013ez, 그리고 GRB 130831A/SN 2013fu의 광학 및 근적외선 광도곡선과 스펙트럼적 성질을 특성화하는 것.
• 폭발 후 16.1일째인 정착 프레임 광학 스펙트로스코피를 이용해 SN 2013ez의 팽창 속도를 측정하는 것.
• SN 1998bw 템플릿과 비교하여 광도곡선을 분석함으로써 ⁵⁶Ni 질량, 유체 질량, 운동 에너지를 추정하는 것.
• 다중 파장 데이터와 모델링을 통해 이 GRB-SNe들이 거대하고 빠르게 회전하는 원형 항성의 표준 모델과 얼마나 일치하는지 평가하는 것.
• 향후 GRB-SN 원형 항성의 이해를 높이기 위해 8–10m 천체망원경을 활용한 집중적이고 고감도 관측과 시뮬레이션의 조합을 주장하는 것.

제안 방법

• 노르딕 천체망원경, 그란 테레스코피아 칸아리아스, 리버풀 천체망원경 등 8–10m 급 지상 천체망원경을 사용하여 세 GRB-SNe의 광학 및 근적외선 광도계 측정을 수행하였다.
• SN 2013ez의 정착 프레임 광학 스펙트럼을 폭발 후 t − t₀ = 16.1일에 3000–6250 Å 범위에서 확보하여, Fe ii λ5169 및 Si ii λ6355 선를 통해 팽창 속도를 측정하였다.
• 각 초신성의 광도곡선의 밝기와 형태를 SN 1998bw 템플릿에 따라 校정하여 핵합성 모델링을 통해 ⁵⁶Ni 질량을 추정하였다.
• SN 2013fu의 잘 캘리브레이션된 R-대역 광도곡선을 사용하여 광도곡선 모델링을 통해 유체 질량과 운동 에너지를 유도하였다.
• 다중 에포크 광도계 및 스펙트로스코피 데이터를 이론적 시뮬레이션과 융합하여 원형 항성 성질과 폭발 역학을 추론하였다.
• 지미니, RATIR, GROND, 푸얼크스 천체망원경 등 여러 관측소의 데이터를 활용하여 광역 및 시간적 커버리지가 넓은 관측을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 120729A, GRB 130215A/SN 2013ez, GRB 130831A/SN 2013fu의 광학 및 근적외선 대역에서의 광도계 및 스펙트럼적 성질은 무엇인가?
• RQ2 폭발 후 16.1일에 SN 2013ez의 팽창 속도는 얼마이며, 다른 GRB-SNe들과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ3 이 GRB-SNe들의 ⁵⁶Ni 질량, 유체 질량, 운동 에너지는 다른 GRB-SNe들과 SNe Ibc들과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 관측된 광도곡선과 스펙트럼은 GRB-SNe가 거대하고 빠르게 회전하는 항성에서 기인한다는 가설을 어느 정도 지지하는가?
• RQ5 특히 8–10m 천체망원경을 활용한 정착 프레임 BVRI 및 NIR 광도계 및 스펙트로스코피를 통한 관측 전략 중에서 GRB-SN 원형 항성 모델을 가장 효과적으로 제약할 수 있는 것은 무엇인가?

주요 결과

• 폭발 후 16.1일에 관측된 SN 2013ez의 광학 스펙트럼은 GRB-SN에서 관측된 바 있는 바에 비해 매우 낮은 팽창 속도인 4000–6350 km s⁻¹를 보이며, 이는 GRB-SN 역사상 가장 낮은 수치이다.
• 각 GRB-SN의 ⁵⁶Ni 질량은 다른 GRB-SNe들과 유사하며, 비-GRB 관련 SNe Ibc보다는 현저히 높다.
• GRB 130831A/SN 2013fu의 경우 잘 캘리브레이션된 R-대역 광도곡선을 통해 도출된 유체 질량과 운동 에너지는 다른 GRB-SNe들과 일치한다.
• 모든 세 GRB-SNe의 광도곡선이 SN 1998bw에 정규화되었을 때 유사한 밝기와 진화 형태를 보이며, 공통된 폭발 메커니즘을 지지한다.
• 관측된 GRB-SNe의 성질은 거대하고 빠르게 회전하는 항성이 존재하며, 이들이 비대칭적이며 고에너지 폭발을 일으킨다는 원형 항성 모델과 일치한다.
• 향후 8–10m 천체망원경을 활용한 정착 프레임 BVRI 및 NIR 광도계 및 스펙트로스코피 관측 캠프를 집중적으로 수행하고, 고급 시뮬레이션과 융합함으로써 GRB-SN 원형 항성 모델을 더욱 정밀하게 제약할 것을 제안한다.