[논문 리뷰] The population of SNe/SNRs in the starburst galaxy Arp 220. A self-consistent analysis of 20 years of VLBI monitoring

E. Varenius, J. E. Conway외 7명|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|2017. 02. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 아르프 220에 대한 20년간의 VLBI 분석을 통해 자가일관된 결과를 도출하였으며, 97개의 밀집된 전파원을 탐지하고, 이들의 발광함수는 $n(L)\propto L^{-2.19\pm0.15}$임을 확인하여 정상은 은하의 초신성 잔여물(SNRs)과 일치함을 보였다. 연구는 발광도-직경 관계를 규명하였으며, 둘의 집단으로 나뉘는 것으로 밝혀졌다: 높은 발광도를 가지며 밀집된 초신성(SNe, 주로 IIn형으로 추정됨)과 더 큰 크기이지만 덜 발광도가 높은 SNRs로, 더 흐린 원천들은 우주선 재가속화 메커니즘을 통해 전체 전파 방출에 상당한 기여를 할 수 있음이 제기됨.

ABSTRACT

The nearby ultra-luminous infrared galaxy (ULIRG) Arp 220 is an excellent laboratory for studies of extreme astrophysical environments. For 20 years, Very Long Baseline Interferometry (VLBI) has been used to monitor a population of compact sources thought to be supernovae (SNe), supernova remnants (SNRs) and possibly active galactic nuclei (AGNs). Using new and archival VLBI data spanning 20 years, we obtain 23 high-resolution radio images of Arp 220 at wavelengths from 18 cm to 2 cm. From model-fitting to the images we obtain estimates of flux densities and sizes of all detected sources. We detect radio continuum emission from 97 compact sources and present flux densities and sizes for all analysed observation epochs. We find evidence for a LD-relation within Arp 220, with larger sources being less luminous. We find a compact source LF $n(L)\propto L^β$ with $β=-2.19\pm0.15$, similar to SNRs in normal galaxies. Based on simulations we argue that there are many relatively large and weak sources below our detection threshold. The observations can be explained by a mixed population of SNe and SNRs, where the former expand in a dense circumstellar medium (CSM) and the latter interact with the surrounding interstellar medium (ISM). Nine sources are likely luminous, type IIn SNe. This number of luminous SNe correspond to few percent of the total number of SNe in Arp 220 which is consistent with a total SN-rate of 4 yr$^{-1}$ as inferred from the total radio emission given a normal stellar initial mass function (IMF). Based on the fitted luminosity function, we argue that emission from all compact sources, also below our detection threshold, make up at most 20\% of the total radio emission at GHz frequencies.

연구 동기 및 목표

• 이전 연구를 뛰어넘어 아르프 220에 대한 20년간의 VLBI 데이터를 자가일관된 분석하여 원천 탐지 및 분류를 향상시키는 것.
• 더 나은 SN/SNR 집단 특성화를 위해 신뢰할 수 있는 크기 추정치를 가진 밀집 원천의 수를 증가시키는 것.
• 밀집 원천 발광함수(LF)를 유도하고, 아르프 220의 극한 환경에서 잠재적인 발광도-직경(LD) 관계를 조사하는 것.
• 비정상 입자 가속화 메커니즘을 고려할 때, 해소되지 않은 또는 흐린 원천들이 총 전파 방출에 기여하는 정도를 평가하는 것.

제안 방법

• 18cm에서 2cm 파장에 걸친 23장의 고해상도 VLBI 이미지를 20년간의 관측 데이터로부터 확보 및 재처리함.
• 모든 데이터셋에서 일관된 캘리브레이션 및 이미징 기법을 사용하여, 밀집 원천의 복사세기 및 크기를 추정하기 위해 가시도 데이터에 모델 피팅을 수행함.
• 빛의 변화, 스펙트럼 기울기 및 형태학적 크기를 기반으로 SNe, SNRs, 가능성이 있는 AGN 후보를 분류함.
• 가장 밝은 6cm 원천에 다주파수 초신성 빛의 변화 모델을 피팅하여 폭발 에너지 및 주변성간 매질 밀도와 같은 폭발 매개변수를 추정함.
• 발광함수의 통계적 분석과 선택 효과 조사로 발광도-직경 관계의 신뢰성 평가.
• 미래의 감도 향상을 고려하여 스택킹 및 테이퍼링 기법을 포함한, 비정규적 특징 분석 및 라디오 제트 탐색을 통한 AGN 기여 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아르프 220에 있는 밀집 전파원의 진정한 수와 분포는 무엇이며, 20년간의 VLBI 모니터링 기간 동안 어떻게 변화하는가?
• RQ2 아르프 220에서 밀집 원천의 발광함수 형태는 무엇이며, 정상 은하의 그것과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 밀집 원천들 사이에 발광도-직경 관계가 존재하는가? 이는 그들의 진화 상태에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 흐린 또는 탐지되지 않은 원천들이 총 전파 방출에 얼마나 기여하는가? 그리고 우주선 재가속화 같은 메커니즘이 부족한 방출을 설명할 수 있는가?
• RQ5 공간 해상도가 부족하거나 활동이 간헐적인 경우, 기저의 AGN 집단이 데이터에 숨어 있을 수 있으며, 향후 관측으로 이를 어떻게 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 아르프 220에서 97개의 밀집 전파원을 탐지하였으며, 이들의 발광함수는 $n(L)\propto L^{-2.19\pm0.15}$로 가장 잘 기술되며, 정적 은하의 SNRs와 일치함.
• 원천들의 공간 분포는 두 핵의 별 형성 디스크를 따라 형성되며, 지속적인 별 형성과 강한 상관관계를 보임.
• 발광도-직경 관계의 증거가 발견되었으며, 더 큰 원천일수록 더 낮은 발광도를 보이지만, 선택 효과로 인해 정확한 정량화가 복잡함.
• 관측된 원천 집단은 두 가지 명확한 집단으로 설명될 수 있음: 매우 높은 발광도를 가지며 밀집된 초신성(SNe, 주로 IIn형으로 추정됨)과 더 큰 크기이지만 덜 발광도가 높은 SNRs로, 이들은 은하간 매질과 상호작용함.
• 관측된 매우 높은 발광도의 초신성 수는 표준 초기 질량 함수와 은하의 총 별 형성률에 기반한 기대치와 일치하지만, 연령 추정치는 여전히 불확실함.
• 탐지 한계 이하의 발광함수를 외삽하면, 이 원천들이 GHz 주파수에서 총 전파 방출의 최대 20% 기여할 뿐이며, 나머지 부분은 2차 우주선 과정이 설명할 수 있음.