[논문 리뷰] The broad-line type Ic SN 2020bvc: signatures of an off-axis gamma-ray burst afterglow

L. Izzo, Katie Auchettl외 6명|ePrints Soton (University of Southampton)|2020. 04. 13.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 76인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초기 감지되지 않은 채로 관측된 첫 번째 고립된 감마선 폭발(GRB) 후광으로서 SN 2020bvc를 제시한다. 다중 파장 관측을 통해 비축방향의 제트 구동 코코넛 방출과 X선 후광 신호를 확인하였으며, 이는 약 23°의 기울기로 된 제트를 확인함으로써, 방사선 비추출로 인해 초기 GRB가 관측되지 않은 이유를 설명한다.

ABSTRACT

Long-duration gamma-ray bursts (GRBs) are almost unequivocally associated with very energetic, broad-lined supernovae (SNe) of Type Ic-BL. While the gamma-ray emission is emitted in narrow jets, the SN emits radiation isotropically. Therefore, some SN Ic-BL not associated with GRBs have been hypothesized to arise from events with inner engines such as off-axis GRBs or choked jets. Here we present observations of the nearby ($d = 120$ Mpc) SN 2020bvc (ASAS-SN 20bs) which support this scenario. extit{Swift} UVOT observations reveal an early decline (up to two days after explosion) while optical spectra classify it as a SN Ic-BL with very high expansion velocities ($\approx$ 70,000 km/s), similar to that found for the jet-cocoon emission in SN 2017iuk associated with GRB 171205A. Moreover, extit{Swift} X-Ray Telescope and extit{CXO} X-ray Observatory detected X-ray emission only three days after the SN and decaying onwards, which can be ascribed to an afterglow component. Cocoon and X-ray emission are both signatures of jet-powered GRBs. In the case of SN 2020bvc, we find that the jet is off axis (by $\approx$ 23 degrees), as also indicated by the lack of early ($\approx 1$ day) X-ray emission which explains why no coincident GRB was detected promptly or in archival data. These observations suggest that SN 2020bvc is the first orphan GRB detected through its associated SN emission.

연구 동기 및 목표

• 극도로 높은 속도를 보이는 근거리 Type Ic-BL 초신성인 SN 2020bvc의 성격을 조사하여 제트 구동 사건과 관련이 있는지 확인한다.
• 몇몇 감지되지 않은 GRB를 동반하지 않은 SNe Ic-BL이 비축방향 감마선 폭발 또는 막힌 제트에서 기인할 수 있다는 가설을 검증한다.
• SN 2020bvc의 다중 파장 광도 곡선과 스펙트럼에서 비축방향 GRB 후광의 관측 서명을 식별한다.
• 특히 지연된 X선 탐지와 초기 광학 감쇠를 고려하여 X선 및 광학 데이터를 사용해 제트 기하학과 관측 각도를 제약한다.
• 표준 SN Ic-BL 또는 충격을 받은 항성주변 물질에서 기인하는 전파 후광과 같은 다른 설명을 배제한다.

제안 방법

• 초기 광학 감쇠와 지연된 X선 후광 방출을 탐지하기 위해 Swift UVOT 및 X선 탐지기(XRT) 광도 곡선을 분석하였다.
• Chandra X선 관측소(CXO)의 고해상도 X선 데이터를 사용해 폭발 후 약 3일째에 X선 방출의 시작을 확인하였다.
• X선 광도 곡선을 비축방향 GRB 후광 모델로 피팅하였으며, 원추형 밀도 프로파일(ρ ∝ R⁻ᵏ)을 가정하여 k = 0, 1.5, 2.0의 경우를 고려했다.
• 24일째에 확보한 SN 2020bvc의 광학 스펙트럼을 알려진 GRB-SNe의 스펙트럼과 비교하여 고속도 Fe-피크 특징과 제트-코코넛 서명을 식별하였다.
• 핵심 폭발 시점(2월 4.0 ± 0.1)에 감마선 대응체를 찾기 위해 Fermi-GBM 및 INTEGRAL 아카이브를 검색하였으며, 유의미한 탐지 결과는 없었다.
• 스펙트럼 분석을 통해 SN 환경을 평가하여 낮은 금속 농도를 추론하였으며, 이는 콜라프사 모델과 제트 형성에 부합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 감지되지 않은 GRB가 존재하는 상황에서 SN 2020bvc가 비축방향 감마선 폭발 후광의 서명을 보여주는가?
• RQ2 SN 2020bvc의 제트의 관측 각도는 얼마이며, 이는 조기 X선 및 감마선 방출이 없는 이유를 어떻게 설명하는가?
• RQ3 관측된 초기 광학 감쇠와 지연된 X선 방출은 상대론적 외부 방출에서 기인한 코코넛 및 후광 방출로 설명될 수 있는가?
• RQ4 X선 광도 곡선은 비축방향 GRB 후광 모델과 일치하는가? 그리고 이는 항성주변 밀도 프로파일에 어떤 제약을 둔다?
• RQ5 SN 환경의 금속 농도는 얼마이며, 이는 SNe Ic-BL에서 제트 형성에 대한 콜라프사 모델을 지지하는가?

주요 결과

• SN 2020bvc는 폭발 후 첫 이틀 이내에 초기 광학 감쇠를 보이며, 제트 구동 초신성의 코코넛 방출과 일치한다.
• 24일째 광학 스펙트럼은 약 70,000 km/s의 고속도 흡수 특징을 보이며, 제트-코코넛 방출에서 특징적인 Fe-피크 요소의 특징을 나타내며, GRB 171205A와 관련된 SN 2017iuk와 유사하다.
• X선 방출은 폭발 후 3일 만에 탐지되었으며, 거듭제곱 법칙으로 감쇠되며, 표준 SN나 충격을 받은 항성주변 물질에서 기인한 것이 아니라 비축방향 GRB 후광과 일치한다.
• X선 광도 곡선의 모델 피팅 결과 제트의 관측 각도는 약 23도로 추정되며, 이는 방사선 비추출로 인해 초기 감마선 방출이 관측되지 않은 이유를 설명한다.
• 핵심 폭발 시점에 Fermi-GBM 또는 INTEGRAL 아카이브에서 유의미한 감마선 대응체를 탐지하지 못하였으며, 하한 탐지 이벤트는 SN 위치에서 93.71도 떨어져 있었다.
• 후기 시기의 SN 스펙트럼 분석 결과 저금속 환경([Z/H] ≈ -1.5 수준)이 확인되었으며, 이는 콜라프사 모델과 제트 형성에 부합한다.