[논문 리뷰] A VLA Survey of Late-time Radio Emission from Superluminous Supernovae and the Host Galaxies

Bunyo Hatsukade, Nozomu Tominaga외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 23.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 98인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 적색편이 z < 0.3인 23개의 초광명 초신성(SLSNe)과 그들의 은하계 주변에서 늦은 시기 3 GHz VLA 전파 관측을 수행하며, 한 개의 SLSN(PTF10hgi)과 다섯 개인 은하계에서 전파 방출을 검출하였다. 이는 축출된 제트 후광 모형과 자석자기모멘트가 구동하는 펄서 풍압 네뷸라(PWNe) 모형을 제약하는 데 기여하며, 고에너지(Eiso ≳ 몇 × 10⁵³ erg) 또는 고순환물질 밀도(n ≳ 0.01 cm⁻³) 모형은 데이터에 의해 배제되나, 낮은 에너지 또는 낮은 밀도 시나리오들은 여전히 타당하다고 밝혔다.

ABSTRACT

We present the results of 3 GHz radio continuum observations of 23 superluminous supernovae (SLSNe) and their host galaxies by using the Karl G. Jansky Very Large Array conducted 5-21 years after the explosions. The sample consists of 15 Type I and 8 Type II SLSNe at z < 0.3, providing one of the largest sample of SLSNe with late-time radio data. We detected radio emission from one SLSN (PTF10hgi) and 5 hosts with a significance of >5$\sigma$. No time variability is found in late-time radio light curves of the radio-detected sources in a timescale of years except for PTF10hgi, whose variability is reported in a separate study. Comparison of star-formation rates (SFRs) derived from the 3 GHz flux densities with those derived from SED modeling based on UV-NIR data shows that four hosts have an excess of radio SFRs, suggesting obscured star formation. Upper limits for undetected hosts and stacked results show that the majority of the SLSN hosts do not have a significant obscured star formation. By using the 3 GHz upper limits, we constrain the parameters for afterglows arising from interaction between initially off-axis jets and circumstellar medium (CSM). We found that the models with higher energies ($E_{ m iso} \gtrsim$ several $ imes 10^{53}$ erg) and CSM densities ($n \gtrsim 0.01$ cm$^{-3}$) are excluded, but lower energies or CSM densities are not excluded with the current data. We also constrained the models of pulsar wind nebulae powered by a newly born magnetar for a subsample of SLSNe with model predictions in the literature.

연구 동기 및 목표

• 고감도 VLA 관측을 통해 초광명 초신성(SLSNe)과 그들의 은하계 주변에서 늦은 시기 전파 방출을 조사하기 위해.
• 전파 광도곡선과 통계적 한계를 통해 축출된 제트와 자석자기모멘트가 구동하는 펄서 풍압 네뷸라(PWNe)와 같은 중심 엔진 모형을 제약하기 위해.
• 자외선–적외선 SED 모델링과 비교하여 3 GHz 전파로 유도된 항성 형성률과의 불일치를 통해 SLSN 은하계의 은폐된 항성 형성 여부를 평가하기 위해.
• 폭발 후 5~21년에 걸친 장거리 기반 전파 데이터 분석을 통해 SLSNe 메커니즘에 대한 이해를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 적색편이 z < 0.3인 23개의 SLSNe와 그들의 은하계에서 칼 G. 장스키 매우 큰 어레이(VLA)를 이용해 3 GHz 연속 관측을 수행하였다.
• 3 GHz 데이터로부터 전파 밀도를 측정하고 항성 형성률(SFRs)을 유도하였으며, 자외선–적외선 광도 측정 자료를 기반으로 한 SED 유도 SFRs와 비교하였다.
• 3 GHz 상한선을 이용해 축출된 제트 후광 모형의 에너지(Eiso) 및 순환물질 매질(CSM) 밀도(n) 매개변수 공간을 제약하였다.
• 신생 자석자기모멘트가 구동하는 전자-양전자 PWN 모형의 이론적 예측과 관측된 3 GHz 상한선을 비교하였다.
• 검출되지 않은 은하계를 통합하여 더 깊은 감도 한계를 도출하고 평균 전파 특성을 평가하였다.
• 통계적 분석을 적용하여 광도곡선의 변동성을 탐지하고, 검출의 유의수준이 >5σ 이상인지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SLSNe와 그들의 은하계 주변에서 나타나는 늦은 시기 전파 방출의 성격은 무엇인가?
• RQ2 축출된 제트 후광 모형은 관측된 전파 방출을 설명할 수 있으며, 데이터는 그들의 에너지와 CSM 밀도에 대해 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 자외선–적외선 SED 모델링과의 불일치를 통해 SLSN 은하계에서 은폐된 항성 형성이 나타나는가?
• RQ4 전파 데이터는 SLSNe의 중심 엔진으로서 자석자기모멘트가 구동하는 펄서 풍압 네뷸라를 지지하는가?

주요 결과

• 5σ 이상의 유의수준에서 한 개의 SLSN(PTF10hgi)과 다섯 개의 은하계에서 전파 방출이 검출되었으며, 늦은 시기 광도곡선에서의 유의미한 변동성은 PTF10hgi를 제외하고는 관측되지 않았다. 다만 이전 연구에서 PTF10hgi는 변동성을 보였다고 보고하였다.
• 검출된 다섯 은하계 중 네 개는 SED에서 유도된 SFR보다 높은 전파로 유도된 SFR을 보였으며, 이는 은폐된 항성 형성의 가능성을 시사한다.
• 검출되지 않은 대부분의 SLSN 은하계는 유의미한 전파 방출을 보이지 않아, 샘플 내에서 은폐된 항성 형성은 흔하지 않다는 것을 시사한다.
• 전파 상한선은 등가 등방성 에너지 Eiso ≳ 몇 × 10⁵³ erg 이며 순환물질 매질 밀도 n ≳ 0.01 cm⁻³인 축출된 제트 후광 모형을 배제하지만, 낮은 에너지 또는 낮은 밀도 시나리오들은 여전히 타당하다.
• 자석자기모멘트가 구동하는 PWN 모형의 경우, 3 GHz 상한선은 여섯 개의 SLSNe(PDF09cnd, SN 2007bi, SN 2010kd, SN 2011ke, SN 2012il, SN 2015bn)의 예측을 제약하지만, 나머지 샘플 내 SLSNe-I에 대해서는 모형을 배제하지는 않는다.
• 본 연구는 고감도 장기 전파 모니터링이 SLSNe 원천 모형을 제약하는 데 중요함을 입증하였으며, 향후 SKA 및 ngVLA와 같은 미래 기기의 잠재력을 부각시켰다.