[논문 리뷰] Stripped-envelope core-collapse supernova $^{56}$Ni masses: Persistently larger values than supernovae type II

N. Meza, J. P. Anderson|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 03.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 120인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성(IIb, Ib, Ic 유형)에서 ⁵⁶Ni 질량을 Arnett의 법칙, Khatami & Kasen의 방법, 꼬리 기간 빛의 세기의 세 가지 통일된 방법을 사용하여 재평가하며, 이는 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성에서 수소가 풍부한 Type II 초신성보다 일관되게 높은 ⁵⁶Ni 수확량을 나타내며, 방법론적 편향이 아닌 천체물리적 본질적 차이를 시사한다.

ABSTRACT

The mass of synthesised radioactive material is an important power source for all supernova (SN) types. Anderson 2019 recently compiled literature values and obtained $^{56}$Ni distributions for different core-collapse supernovae (CC-SNe), showing that the $^{56}$Ni distribution of stripped envelope CC-SNe (SE-SNe: types IIb, Ib, and Ic) is highly incompatible with that of hydrogen rich type II SNe (SNe-II). This motivates questions on differences in progenitors, explosion mechanisms, and $^{56}$Ni estimation methods. Here, we re-estimate the nucleosynthetic yields of $^{56}$Ni for a well-observed and well-defined sample of SE-SNe in a uniform manner. This allows us to investigate whether the observed SN-II--SE-SN $^{56}$Ni separation is due to real differences between these SN types, or because of systematic errors in the estimation methods. We compiled a sample of well observed SE-SNe and measured $^{56}$Ni masses through three different methods proposed in the literature. Arnett's rule -as previously shown - gives $^{56}$Ni masses for SE-SNe that are considerably higher than SNe-II. While for the distributions calculated using both the Khatami&Kasen prescription and Tail $^{56}$Ni masses are offset to lower values than `Arnett values', their $^{56}$Ni distributions are still statistically higher than that of SNe II. Our results are strongly driven by a lack of SE-SN with low $^{56}$Ni masses (that are in addition strictly lower limits). The lowest SE-SN $^{56}$Ni mass in our sample is of 0.015M$_\odot$, below which are more than 25$\%$ of SNe II. We conclude that there exists real, intrinsic differences in the mass of synthesised radioactive material between SNe II and SE-SNe . Any proposed current or future CCSN progenitor scenario and explosion mechanism must be able to explain why and how such differences arise, or outline a yet to be fully explored bias in current SN samples.

연구 동기 및 목표

• 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성(SE-SNe)과 수소가 풍부한 Type II 초신성 간의 ⁵⁶Ni 질량 격차가 추정 방법의 체계적 오차 때문인지 아니면 진정한 천체물리적 차이 때문인지 조사하기.
• 모든 방법이 일관되게 적용 가능한 잘 관측된 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성의 표본을 사용하여 ⁵⁶Ni 질량을 재추정함으로써 방법론적 편향을 최소화하기.
• 이전에 보고된 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성의 높은 ⁵⁶Ni 수확량이 일관되지 않은 문헌 측정치에 기인한 결과인지 아니면 다양한 추정 기법에서도 견고한지 평가하기.
• 표본에 저-⁵⁶Ni 질량을 가진 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성이 부족한 것이 Type II 초신성과의 관측된 통계적 분리에 기여하는지 평가하기.

제안 방법

• 저적색변위(z ≤ 0.03)와 정밀한 폭발 시점 추정(평균 불확실성 <7일)을 가진 잘 관측된 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성 표본을 편성.
• 세 가지 독립적인 ⁵⁶Ni 질량 추정 기법을 적용: Arnett의 법칙(초기 빛의 세기에서 에너지 예산), Khatami & Kasen의 방법(복사전달 및 에너지 침착), 꼬리 기간 빛의 세기(후기 감쇠 기반 하한선).
• 일관된 비교를 위해 통일된 광도계 및 스펙트로스코픽 데이터를 사용하여 빛의 세기 곡선과 분출 물질 성질을 유도.
• 각 기법에서 도출된 ⁵⁶Ni 분포를 Anderson(2019)의 문헌 종합과 비교하여 일관성과 통계적 유의성을 평가.
• 관측된 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성과 Type II 초신성 간의 ⁵⁶Ni 분포 차이가 유의미하며 표본 편향 때문이 아니라는 것을 평가하기 위해 통계적 검정 수행.
• 은하수 및 은하계 외부의 E(B-V) 값을 사용하여 흡수를 보정하여 관측된 등급과 빛의 세기를 교정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성에서 관측된 높은 ⁵⁶Ni 질량이 추정 방법의 체계적 오차 때문인지 아니면 본질적인 천체물리적 차이 때문인지?
• RQ2 Arnett, Khatami & Kasen, 꼬리 기간 빛의 세기의 세 가지 ⁵⁶Ni 질량 추정 기법이 동일한 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성 표본에 대해 어떻게 비교되는가?
• RQ3 표본에서 저-⁵⁶Ni 질량을 가진 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성(예: <0.015 M☉)이 부족한 것이 Type II 초신성과의 관측된 통계적 분리의 원인인가?
• RQ4 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성의 ⁵⁶Ni 수확량 분포가 현재의 원천 별 및 폭발 모델과 조화를 이룰 수 있는가, 아니면 새로운 물리적 설명이 필요한가?

주요 결과

• Arnett의 법칙은 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성에서 Type II 초신성보다 유의미하게 높은 ⁵⁶Ni 질량을 도출하며, 이는 이전 문헌 결과를 확인한다.
• Khatami & Kasen의 방법과 꼬리 기간 빛의 세기(하한선)를 사용할 때조차도 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성의 ⁵⁶Ni 분포는 Type II 초신성보다 통계적으로 높다.
• 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성 표본의 최저 ⁵⁶Ni 질량은 0.015 M☉이며, 이보다 낮은 질량을 가진 초신성의 25% 이상이 Type II 초신성에 속해 있어 저-⁵⁶Ni 질량을 가진 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성의 진정한 부족을 시사한다.
• 세 가지 기법 모두에서 지속적으로 관측된 ⁵⁶Ni 질량 분포의 분리가 체계적 추정 오차가 아니라 진정한 천체물리적 차이를 시사한다.
• 결과는 현재의 원천 별 및 폭발 모델이 왜 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성이 Type II 초신성보다 평균적으로 더 많은 ⁵⁶Ni를 생성하는지를 설명해야 한다는 것을 암시한다.
• 저-⁵⁶Ni 질량을 가진 산소가 빠진 중심 붕괴 초신성의 부족은 선택 편향일 수 있거나 원천 별의 구조나 폭발 메커니즘의 근본적 차이를 시사할 수 있다.