[论文解读] Stripped-envelope core-collapse supernova $^{56}$Ni masses: Persistently larger values than supernovae type II

N. Meza, J. P. Anderson|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 120被引用 10

一句话总结

本研究使用三种统一方法——Arnett法则、Khatami与Kasen的方案以及光度衰退末期法——重新评估了贫氢包层的核坍缩超新星（SE-SNe：IIb型、Ib型、Ic型）中的⁵⁶Ni质量，发现SE-SNe中的⁵⁶Ni产量系统性高于富含氢的II型超新星，表明这是真实的天体物理差异，而非方法学偏差所致。

ABSTRACT

The mass of synthesised radioactive material is an important power source for all supernova (SN) types. Anderson 2019 recently compiled literature values and obtained $^{56}$Ni distributions for different core-collapse supernovae (CC-SNe), showing that the $^{56}$Ni distribution of stripped envelope CC-SNe (SE-SNe: types IIb, Ib, and Ic) is highly incompatible with that of hydrogen rich type II SNe (SNe-II). This motivates questions on differences in progenitors, explosion mechanisms, and $^{56}$Ni estimation methods. Here, we re-estimate the nucleosynthetic yields of $^{56}$Ni for a well-observed and well-defined sample of SE-SNe in a uniform manner. This allows us to investigate whether the observed SN-II--SE-SN $^{56}$Ni separation is due to real differences between these SN types, or because of systematic errors in the estimation methods. We compiled a sample of well observed SE-SNe and measured $^{56}$Ni masses through three different methods proposed in the literature. Arnett's rule -as previously shown - gives $^{56}$Ni masses for SE-SNe that are considerably higher than SNe-II. While for the distributions calculated using both the Khatami&Kasen prescription and Tail $^{56}$Ni masses are offset to lower values than `Arnett values', their $^{56}$Ni distributions are still statistically higher than that of SNe II. Our results are strongly driven by a lack of SE-SN with low $^{56}$Ni masses (that are in addition strictly lower limits). The lowest SE-SN $^{56}$Ni mass in our sample is of 0.015M$_\odot$, below which are more than 25$\%$ of SNe II. We conclude that there exists real, intrinsic differences in the mass of synthesised radioactive material between SNe II and SE-SNe . Any proposed current or future CCSN progenitor scenario and explosion mechanism must be able to explain why and how such differences arise, or outline a yet to be fully explored bias in current SN samples.

研究动机与目标

• 探究在贫氢包层超新星（SE-SNe）与富含氢的II型超新星之间观测到的⁵⁶Ni质量差异，是源于估算方法的系统性误差，还是真实的天体物理差异。
• 使用多种一致的方法对一组观测良好、样本均一的SE-SNe重新估算⁵⁶Ni质量，以最小化方法学偏差。
• 确定先前报道的SE-SNe中较高的⁵⁶Ni产量是否在不同估算技术下依然稳健，或仅为不一致文献测量的产物。
• 评估样本中缺乏低⁵⁶Ni质量SE-SNe是否导致其与II型超新星之间出现统计上的分离。

提出的方法

• 整理了一组低红移（z ≤ 0.03）且爆发时刻估计精确（平均不确定性 <7天）的观测良好SE-SNe样本。
• 应用三种独立的⁵⁶Ni质量估算技术：Arnett法则（基于早期光曲线的能量收支）、Khatami与Kasen方法（辐射转移与能量沉积）、以及光度衰退末期法（基于后期衰减的下限估计）。
• 使用统一的测光与光谱数据，推导出光曲线与喷出物特性，以确保不同方法间的一致比较。
• 将每种方法所得的⁵⁶Ni分布与Anderson（2019）的文献汇编进行对比，以评估一致性与统计显著性。
• 进行统计检验，评估SE-SNe与II型超新星之间⁵⁶Ni分布差异是否具有显著性，且非由样本偏差所致。
• 使用银河系与宿主星系的E(B-V)值校正消光效应，以修正观测到的星等与光度。

实验结果

研究问题

• RQ1 SE-SNe中观测到的高于II型超新星的⁵⁶Ni质量，是源于估算方法的系统性误差，还是真实的天体物理差异？
• RQ2 在相同SE-SN样本中，不同⁵⁶Ni质量估算技术（Arnett法、Khatami与Kasen法、光度衰退末期法）的结果如何比较？
• RQ3 样本中缺乏低⁵⁶Ni质量SE-SNe（如<0.015 M☉）是否导致其与II型超新星之间出现统计分离？
• RQ4 SE-SNe的⁵⁶Ni产量分布能否与当前的前身星与爆发模型相协调，还是需要新的物理解释？

主要发现

• Arnett法则估算的SE-SNe⁵⁶Ni质量显著高于II型超新星，与先前文献发现一致。
• 即使采用Khatami与Kasen方案及光度衰退末期法（下限估计），SE-SN的⁵⁶Ni分布仍显著高于II型超新星。
• SE-SN样本中最低的⁵⁶Ni质量为0.015 M☉，低于此质量的SE-SNe少于25%的II型超新星，表明低⁵⁶Ni质量SE-SNe存在真实缺失。
• 三种方法下⁵⁶Ni质量分布的持续分离强烈表明存在真实的天体物理差异，而非估算中的系统性误差。
• 结果表明，当前的前身星与爆发模型必须解释为何SE-SNe平均产生更多的⁵⁶Ni。
• 低⁵⁶Ni质量SE-SNe的缺乏可能指向选择偏差，或源于前身星结构与爆发机制的根本性差异。