[論文レビュー] SN 2018bsz: significant dust formation in a nearby superluminous supernova

T. W. Chen, S. Brennan+42 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、多波長の光度測定と分光観測を用いて、近距離の超高出力超新星SN 2018bszにおける顕著なダスト形成の強力な証拠を提示する。データは、発生後230日以降に近赤外域の過剰放射が増加していることを示しており、これは噴出物内に新たに形成されたダストによって最もよく説明される。ダスト質量は、発生後230日における5×10⁻⁴ M☉から535日における10⁻² M☉へと増加しており、SLSNeにおける効率的なダスト生成を示している。

ABSTRACT

We investigate the thermal emission and extinction from dust associated with the nearby superluminous supernova (SLSN) 2018bsz. Our dataset has daily cadence and simultaneous optical and near-infrared coverage up to ~ 100 days, together with late time (+ 1.7 yr) MIR observations. At 230 days after light curve peak the SN is not detected in the optical, but shows a surprisingly strong near-infrared excess, with r - J > 3 mag and r - Ks > 5 mag. The time evolution of the infrared light curve enables us to investigate if the mid-infrared emission is from newly formed dust inside the SN ejecta, from a pre-existing circumstellar envelope, or interstellar material heated by the radiation from the SN. We find the latter two scenarios can be ruled out, and a scenario where new dust is forming in the SN ejecta at epochs > 200 days can self-consistently reproduce the evolution of the SN flux. We can fit the spectral energy distribution well at +230 d with 5 x 10^-4 solar mass of carbon dust, increasing over the following several hundred days to 10^-2 solar mass by +535 d. SN 2018bsz is the first SLSN showing evidence for dust formation within the SN ejecta, and appears to form ten times more dust than normal core-collapse SNe at similar epochs. Together with their preference for low mass, low metallicity host galaxies, we suggest that SLSNe may be a significant contributor to dust formation in the early Universe.

研究の動機と目的

• SN 2018bszの遅い段階において観測された近赤外域過剰放射の原因を特定すること。
• 噴出物内に新たに形成されたダスト、事前に存在する周囲物質、および超新星によって加熱された銀河間ダストの間で区別すること。
• スペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングを用いて、超高出力超新星におけるダスト質量の時間的変化を定量化すること。
• 中赤外域放射が全放射光度に占める寄与とその時間的変化を評価すること。
• SN 2018bszを、極端な恒星爆発におけるダスト形成理論を支援する、SLSNeにおける効率的ダスト生成の重要な例として確立すること。

提案手法

• ピーク後約100日間、毎日のタイムスケジュールで可視光および近赤外光度測定を実施し、1.7年後の遅い段階での中赤外域観測を補足した。
• 複数の時刻でスペクトルエネルギー分布（SED）を構築し、単一ブラックボディモデルをフィットして温度および半径の時間的変化を推定した。
• 赤外光曲線の時間的変化をモデル化し、噴出物内でのダスト形成、周囲シェル、銀河間媒体の区別を試みた。
• ミルキーウェイおよび宿主銀河の減光則を用いて減光補正を行い、マグニチュードから物理単位へのフラックス変換を実施した。
• 遅い段階のスパイトルおよびSOFI画像（3.6、4.5、J、Ksバンド）により、発生後384日および565日におけるSNの検出が可能となり、持続的な放射を確認した。
• 中赤外域寄与を含む・含まない両方の全放射光度曲線を計算し、異なる波長域における全光度寄与割合を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発生後230日におけるSN 2018bszの強い近赤外域過剰放射の原因は何か。この時点で可視光フラックスはすでに減衰している。
• RQ2 遅い段階における中赤外域放射は、SN噴出物内に新たに形成されたダストに起因するのか、それとも事前に存在する周囲物質や銀河間ダストに起因するのか。
• RQ3 SN 2018bszで形成されたダストの質量は何か。時間経過とともにどのように変化するか。
• RQ4 中赤外域放射が全光度に占める寄与は、時間経過とともにどのように変化するか。
• RQ5 遅い段階における観測SEDは、単一成分のブラックボディモデルで十分か、それとも複数成分が必要か。

主な発見

• 発生後230日における近赤外域過剰放射（r−J > 3 mag、r−Ks > 5 mag）は、事前に存在する周囲物質や銀河間ダストの加熱とは整合せず、これらのシナリオを除外する。
• 遅い段階における中赤外域放射は、SN噴出物内に新たに形成されたダストによって最もよく説明され、発生後230日におけるダスト質量は5×10⁻⁴ M☉である。
• ダスト質量は発生後535日までに10⁻² M☉へと増加しており、噴出物内での持続的かつ効率的なダスト生成を示している。
• 発生後232日における全放射光度は、近赤外域（74%）と中赤外域（26%）の放射によって支配されており、発生後266日には中赤外域寄与が68%にまで上昇した。
• 単一ブラックボディSEDフィットは、すべての時刻で観測データと良好に一致しており、複数成分の必要性は示唆されない。
• 発生後68日におけるMIR寄与はわずか1%にとどまるが、遅い段階へ進むにつれて顕著に増加しており、MIR放射が一定の背景ではなく、ダスト形成に関連する一時的特徴であることを確認した。