[논문 리뷰] Type II supernovae progenitor and ejecta properties from the total emitted light, ET

Tomer Shussman, Ehud Nakar외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초기 동형 확장 기간(1–10일) 동안 타입 II 초신성의 볼로메트릭 빛세기 곡선에서 ET = Er × t를 강력한 관측 가능량으로 도입하며, 이는 원형 별-envelope 특성과 폭발 에너지에만 의존함을 보여준다. 질량이 주로 에어로졸된 환경을 가진 경우, 정확한 관계식 ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} (30% 이내의 정확도)를 유도하여 관측된 ET와 스펙트럼 속도로부터 폭발 에너지, 원형 별 반지름, 그리고 환경 질량을 직접적으로 제약할 수 있게 한다.

ABSTRACT

It was recently shown that the bolometric light curves of type II supernovae (SNe) allow an accurate and robust measurement of the product of the radiation energy in the ejecta, $E_r$, and the time since the explosion, $t$, at early phases ($t\lesssim 10d$) of the homologous expansion. This observable, denoted here $ET \equiv E_rt$ is constant during that time and depends only on the progenitor structure and explosion energy. We use a 1D hydrodynamic code to find $ET$ of simulated explosions of 145 red supergiant progenitors obtained using the stellar evolution code MESA, and relate this observable to the properties of the progenitor and the explosion energy. We show that $ET$ probes only the properties of the envelope (velocity, mass and initial structure), similarly to other observables that rely on the photospheric phase emission. Nevertheless, for explosions where the envelope dominates the ejected mass, $M_{env}/M_{ej} \gtrsim 0.6$, $ET$ is directly related to the explosion energy $E_{exp}$ and ejected mass $M_{ej}$ through the relation $ET \approx 0.15 E_{exp}^{1/2} R_* M_{ej}^{1/2}$, where $R_*$ is the progenitor radius, to an accuracy better than $30\%$. We also provide relations between $ET$ and the envelope properties that are accurate (to within 20\%) for all the progenitors in our sample, including those that lost most of their envelope. We show that when the envelope velocity can be reasonably measured by line shifts in observed spectra, the envelope is directly constrained from the bolometric light curve (independent of $E_{exp}$). We use that to compare observations of 11 SNe with measured $ET$ and envelope velocity to our sample of numerical progenitors. This comparison suggests that many SNe progenitors have radii that are $\lesssim 500~R_\odot$. In the framework of our simulations this indicates, most likely, a rather high value of the mixing length parameter.

연구 동기 및 목표

• 타입 II 초신성의 볼로메트릭 빛세기 곡선에서 ET = Er × t가 초기 동형 확장 기간 동안 측정 가능하고 복사 전달에 영향을 받지 않는 관측 가능량임을 확립한다.
• 1차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 ET를 기본적인 원형 별 및 폭발 매개변수—특히 폭발 에너지, 원형 별 반지름, 환경 질량—과 연결한다.
• 복잡한 복사 전달을 피하고 관측된 ET와 스펙트럼 속도로부터 원형 별 및 폭발 특성을 추론하기 위한 실용적이고 분석적인 프레임워크를 제공한다.
• 측정된 ET와 속도를 가진 관측된 초신성들에 대해 이 방법을 시험하여 원형 별 반지름과 혼합 길이 매개변수를 제약한다.

제안 방법

• MESA 별진화 모델에서 유도된 145개의 적초기 원형 별 원형 별을 대상으로 1차원 유체역학 시뮬레이션을 수행하며, 初기 질량, 금속성, 자전, 혼합 길이 매개변수를 변화시킨다.
• 조기 동형 단계(1–10일) 동안 ET = Er × t를 계산하며, Er ∝ 1/t 이므로 ET는 일정하고 빛세기 곡선으로부터 직접 측정 가능하다.
• ET와 원형 별 특성(R*, M_ej, M_env, v_env) 사이의 분석적 관계를 유도하여, ET가 주로 환경 구조와 폭발 에너지에 의존함을 보여준다.
• M_env/M_ej ≥ 0.6 인 환경의 경우, ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} 를 유도하며, 이는 30% 이내의 정확도로 유효하다.
• 관측된 ET와 선이동으로 유도된 환경 속도를 사용하여 11개의 초신성에서 원형 별 반지름과 폭발 에너지를 제약하며, 시뮬레이션된 원형 별과 비교한다.
• 에너지 보존 및 단열 냉각 이론을 적용하여 ET가 폭발 에너지학과 원형 별 구조를 직접적으로 탐지하는 데 유용함을 정당화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ET = Er × t는 타입 II 초신성의 볼로메트릭 빛세기 곡선에서 신뢰성 있게 측정 가능하며, 복사 전달에 영향을 받지 않는 관측 가능량으로 사용될 수 있는가?
• RQ2 유체역학적 시뮬레이션된 초신성에서 ET는 원형 별 반지름, 폭발 에너지, 환경 질량과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 실제 초신성에서 ET와 관측된 환경 속도를 통해 원형 별 반지름과 폭발 에너지를 어느 정도 정밀하게 제약할 수 있는가?
• RQ4 다양한 원형 별 모델을 통틀어 ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} 관계식의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ5 11개의 관측 초신성에서의 관측된 ET와 속도는 원형 별 반지름과 혼합 길이 매개변수에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• ET는 조기 동형 확장 기간(1–10일) 동안 일정하며, 복사 전달 없이도 볼로메트릭 빛세기 곡선으로부터 직접 측정 가능하다.
• M_env/M_ej ≥ 0.6 인 원형 별의 경우, ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} 는 30% 이내의 정확도로 성립하며, 이는 폭발 에너지와 원형 별 반지름에 대한 직접적 제약 조건을 가능하게 한다.
• 스펙트럼 선으로부터 유도된 환경 속도가 측정될 경우, ET는 폭발 에너지에 영향을 받지 않고도 환경 질량과 반지름을 독립적으로 제약할 수 있다.
• 측정된 ET와 속도를 가진 11개의 관측 초신성과 시뮬레이션된 원형 별을 비교한 결과, 대부분의 원형 별 반지름이 ≤ 500 R☉임을 시사하며, 이는 높은 혼합 길이 매개변수를 의미한다.
• 모든 시뮬레이션된 원형 별에 걸쳐, ET와 환경 특성(속도, 질량, 구조) 사이의 관계는 20% 이내의 정확도로 유지된다. 이는 대부분의 환경을 상실한 원형 별을 포함하여도 성립한다.
• ET는 조기 단계에서 56Ni 붕괴 및 확산에 민감하지 않아, 폭발 에너지학과 원형 별 구조를 탐지하는 데 강력한 탐지 도구로 기능한다.