[논문 리뷰] A new type of massive stellar death: no supernovae from two nearby long gamma ray bursts

J. P. U. Fynbo, D. Watson외 22명|arXiv (Cornell University)|2006. 08. 15.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 장수명 감마선 폭발(GRB 060505 및 060614)이 핵붕괴 초신성 없이 발생한 관측적 증거를 제시하며, 널리 수용된 콜라프서 모델에 도전한다. 깊은 다중 대역 후광 및 은하수 스펙트로스코피는 먼지로 인한 은폐를 배제하며, 대량 별이 초신성 폭발 없이 직접 블랙홀로 붕괴하는 새로운 유형의 대량 별 사망을 시사한다.

ABSTRACT

It is now accepted that long duration gamma-ray bursts (GRBs) are produced during the collapse of a massive star. The prevailing model (the collapsar) predicts that a broad-lined and luminous Type Ic core-collapse supernova (SN) accompanies every long-duration GRB. This association has been confirmed in observations of several nearby GRBs. Here we present observations of two nearby long-duration GRBs that challenge the prevailing model. In the GRBs 060505 and 060614 we demonstrate that no SN emission accompanied these bursts, down to limits hundreds of times fainter than the archetypal SN 1998bw that accompanied GRB 980425, and fainter than any Type Ic SN ever observed. Multi-band observations of the early afterglows, as well as spectroscopy of the GRB 060505 host galaxy, exclude the possibility of significant dust obscuration. Both GRBs are long-duration bursts, and we show that they lie in actively star-forming regions, typical of long GRBs. The absence of a SN to such deep limits is qualitatively different from all previous nearby long GRBs and suggests a new phenomenological type of massive stellar death.

연구 동기 및 목표

• 장수명 감마선 폭발(long-duration GRBs)이 콜라프서 모델이 예측하는 바와 같이 항상 넓은 선형의 Ic형 초신성과 함께 발생하는지 조사하기 위해.
• 일부 GRB에서 초신성의 부재가 먼지 은폐 또는 관측 한계 때문일 수 있다는 가설을 시험하기 위해.
• GRB 060505 및 060614에서 초신성의 부재가 본질적인 것인지 확인하여 새로운 항성 사망 메커니즘을 밝혀내기 위해.
• 이 GRB의 은하 환경을 검토하여 장수명 GRB 성격을 확인하고, 대안적 설명을 배제하기 위해.

제안 방법

• GRB 060505 및 GRB 060614의 후광에 대해 깊은 다중 대역 옵티컬 및 적외선 관측을 수행하여 초신성 방출을 탐색하기 위해.
• 두 GRB의 은하수 스펙트로스코피를 수행하여 금속성, 항성 형성 및 잠재적 먼지 흡착 정도를 평가하기 위해.
• 관측된 후광 빛의 변화와 스펙트럼 에너지 분포를 초신성 및 후광 방출 모델과 비교하여 초신성 기여를 분리하기 위해.
• 광도 및 스펙트로스코픽 데이터를 사용하여 가능한 모든 초신성 빛의 엄격한 상한선을 설정하였으며, SN 1998bw보다 수백 배나 더 어두운 수준까지 가능함을 확인하기 위해.
• 은하수 내에서 폭발의 공간 분포를 분석하여 활발한 항성 형성 영역에서 발생했음을 확인하여 장수명 GRB 기원과 일치함을 입증하기 위해.
• 관측된 복사율과 흡착 모델을 비교하여 먼지 은폐 가능성에 대해 평가하였으며, 뚜렷한 먼지 열량 밀도가 없음을 발견함으로써 먼지 은폐는 원인이 아님을 배제함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 060505에서 초신성의 부재는 먼지 은폐 때문이었는가, 아니면 본질적인 방출 부재 때문인가?
• RQ2 장수명 GRB는 콜라프서 모델이 예측하는 바와 같이 항상 핵붕괴 초신성을 유발하는가?
• RQ3 초신성이 관측되지 않는 GRB의 항성 원천은 어떤 성격을 지니는가?
• RQ4 이 GRB의 은하 환경은 그들이 장수명 폭발로 분류됨을 확인할 수 있는가?
• RQ5 대량 별이 초신성 없이 직접 블랙홀로 붕괴할 수 있다면, 항성 진화 모델에 어떤 함의가 있는가?

주요 결과

• GRB 060505 및 GRB 060614에서 초신성 방출은 관측되지 않았으며, 가능한 모든 초신성 빛에 대한 상한선은 SN 1998bw보다 수백 배나 더 어두운 수준이었다.
• 다중 대역 후광 관측은 초신성 빛의 변화 곡선에 대한 증거가 없음을 보여주며, 이는 상당한 충격 붕괴 또는 방사성 붕괴 성분이 없음을 시사한다.
• 두 GRB의 은하수 스펙트로스코피는 뚜렷한 먼지 흡착이 없음을 보여주며, 초신성 부재의 원인이 먼지 은폐가 아님을 배제한다.
• 두 GRB 모두 활발한 항성 형성 영역에서 발생하였으며, 이는 장수명 GRB로의 분류를 확인하고 단시간 또는 축외 관측 해석을 배제함을 뒷받침한다.
• 이 두 사례에서의 초신성 부재는 표준 콜라프서 모델과 일치하지 않으며, 이 모델은 모든 장수명 GRB에 대해 초신성을 예측한다.
• 결과는 대량 별이 초신성 폭발 없이 직접 블랙홀로 붕괴하는 새로운 유형의 대량 별 사망을 시사한다.