[논문 리뷰] Dependences of Type Ia Supernovae Lightcurve Parameters on the Host Galaxy Star Formation Rate and Metallicity

K. Konishi, D. Cinabro외 9명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 22.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스탠드오브드라이브 스피드스카이 서베이(SDSS)에서 확보한 118개의 타입 Ia 초신성(SN Ia)을 분석하여, 주로 항성 형성률(SFR)과 중성도가 SN Ia의 광선곡선 매개변수와 등급 표준화에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 연구 결과, 고SFR 환경에서의 SN Ia는 더 큰 56Ni 질량과 넓은 광선곡선을 보이며, 중성도가 높은 환경에서의 SN Ia는 광선곡선 보정 후 0.13±0.06 mag 더 밝아지며, 이는 광속 거리에 대해 약 6%의 불확도를 암시한다. 또한, 중성도가 낮은 환경에서의 색보정 계수는 더 크며, 이는 표준화 과정에서 환경에 따라 달라지는 체계적 오차가 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

We present the dependences of the properties of type Ia Supernovae (SNe Ia) on their host galaxies by analyzing the multi-band lightcurves of 118 spectroscopically confirmed SNe Ia observed by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Supernova Survey and the spectra of their host galaxies. We derive the equivalent width of the m{H}$α$ emission line, star formation rate, and gas-phase metallicity from the spectra and compare these with the lightcurve widths and colors of SNe Ia. In addition, we compare host properties with the deviation of the observed distance modulus corrected for lightcurve parameters from the distance modulus determined by the best fit cosmological parameters. This allows us to investigate uncorrected systematic effects in the magnitude standardization. We find that SNe Ia in host galaxies with a higher star formation rate have synthesized on average a larger $^{56}$Ni mass and show wider lightcurves. The $^{56}$Ni mass dependence on metallicity is consistent with a prediction of Timmes et al. 2003 based on nucleosynthesis. SNe Ia in metal-rich galaxies ({$\log_{10}(O/H)+12>8.9$) have become 0.13 $\pm$ 0.06 magnitude brighter after corrections for their lightcurve widths and colors, which corresponds to up to 6% uncertainty in the luminosity distance. We investigate whether parameters for standardizing SN Ia maximum magnitude differ among samples with different host characteristics. The coefficient of the color term is larger by 0.67 $\pm$ 0.19 for SNe Ia in metal-poor hosts than those in metal-rich hosts when no color cuts are imposed.

연구 동기 및 목표

• 대규모이고 스펙트럼적으로 확인된 샘플을 활용하여 타입 Ia 초신성(SN Ia)의 광선곡선 매개변수들이 주변 은하의 항성 형성률(SFR)과 중성도에 어떻게 의존하는지 조사하기 위해.
• 허블 잔차를 주변 은하 성질과 비교하여 SN Ia의 등급 표준화 과정에서 보정되지 않은 체계적 오차를 평가하기 위해.
• 원자핵합성 모델을 통해 원형성 중성도가 56Ni 질량 생성에 어떻게 영향을 미치는지를 이론적으로 예측하는 것을 테스트하기 위해.
• 표준화 계수(예: 스트레치 및 색상 항목)가 주변 환경, 특히 중성도와 SFR에 따라 변하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 스ローン 디지털 스카이 서베이(SDSS) 초신성 서베이에서 118개의 스펙트럼적으로 확인된 SN Ia의 다중 대역 광선곡선을 확보하였다.
• 주변 은하의 통합 스펙트럼에서 Hα의 등가폭, 항성 형성률(SFR), 기체상 중성도를 유도하였다.
• 관측된 거리 모듈러스(광선곡선 너비 및 색상에 따라 보정된)를 최적의 우주론적 모델에서 예측된 값과 비교하여 허블 잔차를 계산하였다.
• Timmes, Brown & Truran(2003)의 원자핵합성 모델을 사용하여 중성도에 따른 56Ni 질량 의존성을 예측하고 관측된 추세와 비교하였다.
• SFR 및 중성도 구간에 따라 광선곡선 매개변수와 표준화 계수 간의 통계적 비교를 수행하였다.
• -dust 흡수 보정을 적용하고, SALT2 광선곡선 피터를 사용하여 등급 표준화를 수행한 후 잔차 분석을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고SFR 환경에서의 SN Ia는 저SFR 환경에서의 SN Ia와 비교해 광선곡선 너비와 56Ni 질량에서 차이를 보이는가?
• RQ2 광선곡선 너비와 색상에 대해 보정한 후에도 SN Ia의 밝기는 주변 은하의 중성도에 영향을 받는가?
• RQ3 등급 표준화에 사용되는 계수(예: 스트레치 및 색상 항목)는 주변 은하의 중성도 또는 SFR에 따라 체계적으로 변하는가?
• RQ4 관측된 허블 잔차는 주변 은하 성질과 얼마나 상관이 있는가? 이는 SN Ia 천체물리학에서 보정되지 않은 체계적 오차를 시사하는가?
• RQ5 관측된 56Ni 질량 및 빛의 세기 변화 추세는 원형성 중성도에 기반한 원자핵합성 모델의 이론적 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 고SFR 환경에서의 SN Ia는 평균적으로 더 큰 56Ni 질량과 넓은 광선곡선을 보이며, 이는 더 무거운 또는 빠르게 진화하는 시스템을 포함하는 원형성 모델과 일치한다.
• 중성도가 높은 환경에서의 SN Ia(log10(O/H)+12 > 8.9)는 광선곡선 보정 후 평균 0.13 ± 0.06 mag 더 밝으며, 이는 광속 거리에 대해 최대 6%의 불확도를 의미한다.
• 중성도가 낮은 환경에서의 SN Ia 등급 표준화 색보정 계수는 중성도가 높은 환경에서의 것보다 0.67 ± 0.19 더 크며, 이는 표준화 과정에서 환경에 따라 달라지는 색보정이 존재함을 시사한다.
• 중성도에 따른 56Ni 질량 의존성은 원자핵합성 모델(Timmes, Brown & Truran, 2003)의 이론적 예측과 일치한다. 이 모델은 중성도가 높은 원형성에서 22Ne과 같은 중성자 농축 핵종이 증가함에 따라 56Ni 수확량이 감소한다고 예측한다.
• SFR에 따른 스트레치 보정 계수(α)의 의존성에 대해 약간의 증거(1–2σ)가 있으며, 이는 우주의 SFR 진화에 따라 적색편이 변화가 발생할 수 있음을 시사한다.
• log10(O/H)+12 = 8.0 이하의 중성도를 가진 은하에서 SN Ia를 발견하지 못했으며, 이는 Hachisu, Kato & Nomoto(1996) 모델이 SN Ia 폭발에 대해 중성도 한계를 예측하는 것과 일치하지만, 표본 크기가 작아 명확한 결론을 내리기 어려운 상황이다.