[论文解读] A VLA Survey of Late-time Radio Emission from Superluminous Supernovae and the Host Galaxies

Bunyo Hatsukade, Nozomu Tominaga+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 98被引用 5

一句话总结

本研究基于甚大阵列（VLA）在3 GHz频段对23颗超亮超新星（SLSNe）及其宿主星系进行的晚期观测，检测到1颗SLSN（PTF10hgi）和5个宿主星系的射电辐射。研究对非轴向喷流余晖模型和磁星驱动的脉泽风星云（PWN）模型进行了约束，发现高能（Eiso ≳ 几个 × 10⁵³ erg）和高周围介质密度（n ≳ 0.01 cm⁻³）的模型被数据排除，而低能或低密度的模型仍具可行性。

ABSTRACT

We present the results of 3 GHz radio continuum observations of 23 superluminous supernovae (SLSNe) and their host galaxies by using the Karl G. Jansky Very Large Array conducted 5-21 years after the explosions. The sample consists of 15 Type I and 8 Type II SLSNe at z < 0.3, providing one of the largest sample of SLSNe with late-time radio data. We detected radio emission from one SLSN (PTF10hgi) and 5 hosts with a significance of >5$\sigma$. No time variability is found in late-time radio light curves of the radio-detected sources in a timescale of years except for PTF10hgi, whose variability is reported in a separate study. Comparison of star-formation rates (SFRs) derived from the 3 GHz flux densities with those derived from SED modeling based on UV-NIR data shows that four hosts have an excess of radio SFRs, suggesting obscured star formation. Upper limits for undetected hosts and stacked results show that the majority of the SLSN hosts do not have a significant obscured star formation. By using the 3 GHz upper limits, we constrain the parameters for afterglows arising from interaction between initially off-axis jets and circumstellar medium (CSM). We found that the models with higher energies ($E_{ m iso} \gtrsim$ several $ imes 10^{53}$ erg) and CSM densities ($n \gtrsim 0.01$ cm$^{-3}$) are excluded, but lower energies or CSM densities are not excluded with the current data. We also constrained the models of pulsar wind nebulae powered by a newly born magnetar for a subsample of SLSNe with model predictions in the literature.

研究动机与目标

• 利用高灵敏度VLA观测，研究超亮超新星（SLSNe）及其宿主星系的晚期射电辐射。
• 通过射电光曲线和通量上限，约束中心引擎模型，如非轴向喷流和磁星驱动的脉泽风星云（PWNe）。
• 通过比较3 GHz射电推导的恒星形成率与紫外-近红外SED建模结果，评估SLSN宿主星系中被遮蔽的恒星形成活动。
• 通过分析爆炸后5至21年间的长基线射电数据，增进对SLSNe能量机制的理解。

提出的方法

• 在红移z < 0.3的23颗SLSNe及其宿主星系上，利用卡尔·G·扬斯基甚大阵列（VLA）进行3 GHz连续谱观测。
• 测量射电通量密度，并从3 GHz数据推导恒星形成率（SFRs），与紫外-近红外光度数据的SED建模结果进行比较。
• 利用3 GHz的上限值，对非轴向喷流余晖模型施加约束，应用能量（Eiso）和周围介质（CSM）密度（n）的参数空间。
• 将观测到的3 GHz上限与新生磁星驱动的电子-正电子PWN模型的理论预测进行比较。
• 对未检测到的宿主星系进行堆叠处理，以获得更深的灵敏度限制，并评估平均射电特性。
• 应用统计分析检测光曲线中的变异性，并评估检测结果的显著性（>5σ）

实验结果

研究问题

• RQ1 SLSNe及其宿主星系的晚期射电辐射的本质是什么？
• RQ2 非轴向喷流余晖模型能否解释观测到的射电辐射？数据对喷流能量和周围介质密度施加了何种约束？
• RQ3 是否存在SLSN宿主星系中被遮蔽恒星形成活动的证据，表现为射电推导SFR与SED推导SFR之间的差异？
• RQ4 射电数据是否支持磁星驱动的脉泽风星云作为SLSNe的中心引擎？

主要发现

• 在>5σ显著性水平下，检测到1颗SLSN（PTF10hgi）和5个宿主星系的射电辐射，除PTF10hgi外，其余晚期光曲线中未观测到显著变异性，而此前研究曾报告PTF10hgi存在变异性。
• 在5个检测到的宿主星系中，有4个的射电推导SFR高于SED推导SFR，表明可能存在被遮蔽的恒星形成活动。
• 大多数未检测到的SLSN宿主星系未表现出显著射电辐射，表明该样本中被遮蔽的恒星形成活动并不普遍。
• 射电上限排除了非轴向喷流余晖模型中Eiso ≳ 几个 × 10⁵³ erg和周围介质密度n ≳ 0.01 cm⁻³的参数组合，但低能或低密度模型仍具可行性。
• 对于磁星驱动的PWN模型，3 GHz上限对6颗SLSNe（PTF09cnd、SN 2007bi、SN 2010kd、SN 2011ke、SN 2012il和SN 2015bn）的预测施加了约束，但未排除样本中其余SLSNe-I的模型。
• 本研究凸显了高灵敏度、长期射电监测在约束SLSN前身体模型中的重要性，并强调了未来SKA和ngVLA等望远镜的潜力。