[논문 리뷰] Hubble diagrams of relativistic broad-lined type Ic supernovae

Z. Cano, P. Jakobsson외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 6인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 폭발선이 있는 Ic형 초신성(SNe IcBL), 특히 장수명 감마선 폭발(GRB-SNe)과 연관된 SNe IcBL가 BVR 필터에서 유의미한 빛의 밝기-감쇠 관계를 보이며, 이는 국지 허블 상수를 제약하기 위한 표준 캔들로 사용될 수 있음을 보여준다. 독립적인 거리 측정이 가능한 두 개의 SNe IcBL(SN 2009bb와 SN 2012ap)을 사용하여 저자들은 가중 평균 H₀ 값을 82.5 ± 8.1 km s⁻¹ Mpc⁻¹로 도출하였으며, 이는 SNe Ia 추정치보다 1σ 높고, Planck의 값보다 2σ 높은 것으로, 이는 그들의 은하군에서 큰 특이 운동이 존재하기 때문일 가능성이 높다.

ABSTRACT

This paper is a demonstration of how relativistic, broad-lined type Ic supernovae (SNe IcBL) can be used to constrain a value of the Hubble constant in the local universe ($H_{0}$). Included in our sample of SNe IcBL are the SNe associated with long-duration $γ$-ray bursts (GRB-SNe), as well as local relativistic SNe IcBL that are not associated with GRBs. Building upon recent results that found a luminosity$-$stretch relationship for a sample of nine GRB-SNe, we demonstrate that GRB-SNe and SNe IcBL have statistically significant luminosity$-$decline relationships in $BVR$ filters at the $p=0.02$ confidence level. Conversely, we show that SNe Ib, Ic and IIb do not have statistically significant luminosity$-$decline relationships. Two of the relativistic SNe IcBL in our sample have independent distance measurements (SN 2009bb and SN 2012ap) that we used to constrain a weighted-average value of ${H}_{0, m w}=82.5\pm8.1$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. This value is 1$σ$ greater than that obtained using SNe Ia, and 2$σ$ larger than that determined by Planck. This difference can be attributed to large peculiar motions of the host galaxies of the two SNe IcBL, which are members of galaxy groups. When determining a value of $H_{0}$ using SNe Ib, Ic and IIb, we found an average value of $H_{0}$ that has a standard deviation of order $20-40$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, which demonstrates that these SNe are poor cosmological candles. With the launch of the next generation of space telescopes, SNe IcBL, and in particular GRB-SNe, have the potential to constrain constrain the Hubble diagram up to a redshift of $z=3-5$.

연구 동기 및 목표

• 상대론적 SNe IcBL, 즉 GRB-SNe와 비-GRB IcBL를 포함하여, 천체거리 측정에 적합한 빛의 밝기-감쇠 관계를 가지는지 조사하기.
• SNe Ia와 유사하게 국지 허블 상수(H₀)를 제약하기 위해 이러한 SNe를 표준 캔들로 사용하는 것이 가능한지 테스트하기.
• SNe IcBL로부터 도출된 H₀ 추정치의 산란과 신뢰성은 SNe Ia 및 기타 초신성 유형과 비교하기.
• 독립적으로 측정된 선형 거리가 있는 SNe IcBL를 사용하여 주변 속도의 영향을 평가하기.
• 미래의 우주 망원경을 통해 GRB-SNe와 SNe IcBL가 적색편이 z ≈ 3–5까지 허블 도표 제약을 확장할 잠재력을 평가하기.

제안 방법

• 저자들은 출판된 광도 곡선과 적색편이를 사용하여 상대론적 SNe IcBL 샘플을 편성하였다.
• 관측 프레임의 광도 곡선를 고정된 BVR 필터로 변환하기 위해 K보정을 적용하여 일관된 밝기 비교를 가능하게 하였다.
• BVR 대역에서 빛의 밝기-감쇠 관계를 피팅하기 위해 몬테카를로 선형 최소 제곱 부트스트랩 방법과 베이지안 추론 기법을 사용하였다.
• 독립적인 선형 거리가 있는 SN 2009bb와 SN 2012ap를 사용하여 허블 등고선을 데이터에서 오프셋하여 H₀를 유도하였다.
• 측정 불확실성을 고려하여 거리가 알려진 두 개의 SNe IcBL로부터 가중 평균 H₀를 계산하였다.
• SNe IcBL의 허블 도표 산란(rms)을 SNe Ia의 산란과 비교하여 표준성의 정도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대론적 SNe IcBL는 BVR 필터에서 통계적으로 유의미한 빛의 밝기-감쇠 관계를 보이는가?
• RQ2 GRB-SNe와 비-GRB SNe IcBL를 하나의 샘플로 조합하여 SNe Ia와 유사한 산란을 가진 빛의 밝기-감쇠 관계를 가지는가?
• RQ3 독립적으로 측정된 선형 거리가 있는 SNe IcBL를 사용하여 허블 상수(H₀)의 값을 어떤 정도 도출할 수 있는가?
• RQ4 주변 은하의 특이 운동은 SNe IcBL를 통해 도출된 H₀ 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 GRB-SNe를 포함한 SNe IcBL는 향후 망원경을 통해 적색편이 z ≈ 3–5까지 천체거리 측정을 확장하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 상대론적 SNe IcBL는 BVR 필터에서 통계적으로 유의미한 빛의 밝기-감쇠 관계를 p = 0.02의 신뢰수준에서 발견하였다.
• SNe Ib, Ic, IIb 는 통계적으로 유의미한 빛의 밝기-감쇠 관계를 보이지 않으며, 이는 천체거리 측정에 부적합한 천체거리 캔들임을 시사한다.
• SN 2009bb와 SN 2012ap로부터 도출된 가중 평균 H₀는 82.5 ± 8.1 km s⁻¹ Mpc⁻¹이며, 이는 SNe Ia 추정치보다 1σ 높고, Planck의 값보다 2σ 높다.
• H₀의 격차는 두 SNe IcBL의 주변 은하군에서 큰 특이 운동이 존재하기 때문으로 기인된 것으로 판단된다.
• 상대론적 SNe IcBL의 허블 도표의 제곱근 평균 제곱 오차(rms) 산란은 SNe Ia와 유사하여 유사한 천체역학적 활용 가능성이 있음을 시사한다.
• 미래의 우주 망원경을 통해 GRB-SNe와 SNe IcBL는 적색편이 z ≈ 3–5까지 허블 도표 제약을 확장할 잠재력을 지닌다.