[논문 리뷰] Long-rising Type II supernovae from PTF and CCCP

F. Taddia, J. Sollerman외 18명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 27.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 74인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 팔로마 전천문 탐사(Palomar Transient Factory, PTF)와 캘테크 핵융합 프로젝트(Caltech Core-Collapse Project, CCCP)에서 확보한 6개의 장수상 Type II 초신성에 대해 그 빛의 변화곡선, 스펙트럼 및 주변 환경을 분석한다. 이들 사건이 압축된 파란 초거대항성(blue supergiant, BSG)의 원형으로 발생하며, PTF12kso는 이 분류에서 측정된 바 가장 큰 56Ni 질량을 기록했고, 저금속도 환경이 BSG 유도 폭발의 핵심적 특징임을 확인한다.

ABSTRACT

Supernova (SN) 1987A was a peculiar H-rich event with a long-rising (LR) light curve (LC), stemming from a compact blue supergiant star (BSG). Only a few similar events have been presented in the literature. We present new data for a sample of 6 LR Type II SNe (SNe II), 3 of which were discovered and observed by the Palomar Transient Factory (PTF) and 3 observed by the Caltech Core-Collapse Project (CCCP). Our aim is to enlarge the family of LR SNe II, characterizing their properties. Spectra, LCs, and host-galaxies (HG) of these SNe are presented. Comparisons with known SN 1987A-like events are shown, with emphasis on the absolute magnitudes, colors, expansion velocities, and HG metallicities. Bolometric properties are derived from the multiband LC. By modeling the early-time LCs with scaling relations derived from the SuperNova Explosion Code (SNEC) models of MESA progenitor stars, we estimate the progenitor radii of these SNe and other progenitor parameters. We present PTF12kso, a LR SN II with the largest amount of 56Ni mass for this class. PTF09gpn and PTF12kso are found at the lowest HG metallicities for this SN group. The variety of early LC luminosities depends on the wide range of progenitor radii, from a few tens of solar radii (SN 2005ci) up to thousands (SN 2004ek) with intermediate cases between 100 (PTF09gpn) and 300 solar radii (SN 2004em). We confirm that LR SNe II with LC shapes closely resembling that of SN 1987A generally arise from BSGs. However, some of them likely have progenitors with larger radii (~300 solar radii, typical of yellow supergiants) and can thus be regarded as intermediate cases between normal SNe IIP and SN 1987A-like SNe. Some extended red supergiant (RSG) stars such as the progenitor of SN 2004ek can also produce LR SNe II if they synthesized a large amount of 56Ni. Low HG metallicity is confirmed as a characteristic of BSG SNe.

연구 동기 및 목표

• SN 1987A 유사한 장수상 Type II 초신성의 샘플을 확장하기 위해, 피크에 도달하는 데 84일 이상 소요되는 느린 상승 특성을 보이는 사건을 연구하며, 문헌에서 흔하지 않은 사건임을 확인한다.
• 다중 파장 빛의 변화곡선과 스펙트럼을 이용해 이러한 사건의 원형 별 반경, 56Ni 질량, 폭발 에너지, 방출 물질 질량 등의 원형 별 및 폭발 매개변수를 특성화한다.
• 저금속도 은하 환경이 압축된 파란 초거대항성의 폭발을 선호한다는 가설을 검증하기 위해, 이러한 초신성의 은하 금속도를 조사한다.
• 특정 폭발 조건 하에서, 더 넓은 원형 별, 예를 들어 노랑 또는 빨간 초거대항성에서 유래한 일부 장수상 Type II 초신성가 장수상 빛의 변화곡선을 나타낼 수 있는지를 탐색한다.
• 핵붕괴 초신성에서 원형 별의 구조, 폭발 에너지 및 빛의 변화곡선 형태 간의 관계를 이해하는 데 기여한다.

제안 방법

• PTF 및 CCCP 탐사에서 확보한 6개의 장수상 Type II 초신성에 대해 광학적 빛의 변화곡선과 스펙트럼을 확보 및 분석하였으며, 이 중 일부는 이전에 발표되지 않은 데이터 포함.
• 다중 파장 광도 측정을 기반으로 복사 에너지 총량과 에너지 예산을 제약하기 위해 볼로메트릭 빛의 변화곡선을 유도.
• MESA 원형 별 모델의 SNEC 스케일링 관계를 적용하여 초기 시기 빛의 변화곡선 상승 시간을 기반으로 원형 별 반경을 추정.
• 해석적 및 반경험적 기법을 사용해 볼로메트릭 빛의 변화곡선을 모델링하여 주요 폭발 매개변수인 56Ni 질량, 폭발 에너지, 방출 물질 질량을 추론.
• 주 은하 금속도를 주 은하 스펙트럼의 복사선 비율(R23, O3N2 등)을 사용해 측정하였으며, NED를 통한 일관성 검증 및 흡수 보정을 실시.
• 주 은하 스펙트럼의 좁은 복사선에서의 적색편이를 사용해 거리 추정(PTF09gpn 및 PTF12kso에 대해)하고, WMAP5 우주론을 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수상 Type II 초신성의 원형 별 반경은 무엇이며, 빛의 변화곡선 상승 시간 및 빛의 세기와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 장수상 초신성 II에서 방출되는 56Ni 질량의 범위는 무엇이며, SN 1987A 및 기타 알려진 사건들과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 저금속도 은하 환경은 장수상 Type II 초신성, 특히 SN 1987A 유사 사건의 특징적인 특성인가?
• RQ4 확장된 빨간 초거대항성 원형 별이 장수상 빛의 변화곡선를 생성할 수 있으며, 어떤 폭발 조건에서 가능할까?
• RQ5 이들 초신성의 초기 시기 빛의 변화곡선 형태는 원형 별의 구조와 폭발 에너지와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• PTF12kso는 이 분류에서 측정된 바 가장 큰 56Ni 질량을 기록하여, 매우 높은 에너지의 폭발임을 시사한다.
• PTF09gpn과 PTF12kso는 이 초신성 집단에서 관측된 바 가장 저금속도의 은하 환경에 위치해 있으며, 저금속도 환경이 압축된 BSG 원형 별 폭발과의 연관성을 뒷받침한다.
• 원형 별 반경은 다양하게 변동하며, 약 30 R⊙(SN 2005ci)에서 ~300 R⊙(SN 2004em)까지 범위를 가지며, SN 2004ek는 약 1000 R⊙에 도달하여 다양한 원형 별 유형을 시사한다.
• 원형 별 반경이 약 300 R⊙인 SN 2004em은 일반적인 SNe IIP와 SN 1987A 유사 사건 사이의 중간 사례로 설명되며, 일반적으로 노랑 초거대항성 원형 별로 추정된다.
• 확장된 빨간 초거대항성 원형 별(예: SN 2004ek)은 56Ni 질량이 매우 많을 경우 장수상 빛의 변화곡선를 생성할 수 있으며, 이는 일반적으로 압축된 별만이 이러한 빛의 변화곡선를 생성한다는 가정을 도전한다.
• 이 연구는 SN 1987A 유사 빛의 변화곡선를 보이는 장수상 SNe II가 주로 압축된 파란 초거대항성에서 기인한다는 점을 확인하였지만, 일부 중간 또는 확장된 원형 별도 특정 조건 하에서는 유사한 빛의 변화곡선를 생성할 수 있음을 시사한다.