[论文解读] Type II supernovae progenitor and ejecta properties from the total emitted light, ET

Tomer Shussman, Ehud Nakar+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用 7

一句话总结

本文提出 ET = Er × t 作为在早期同调膨胀阶段（1–10 天）从 II 型超新星总光曲线中获得的稳健可观测量，表明其仅依赖于前身星包层性质和爆发能量。该研究推导出精确关系式 ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2}（准确度在 30% 以内），适用于主导喷射质量的包层，从而可直接约束爆发能量、前身星半径和包层质量，仅需观测到的 ET 和谱线速度。

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.

研究动机与目标

• 建立 ET = Er × t 作为在 II 型超新星总光曲线早期同调膨胀阶段可测量、且与辐射转移无关的可观测量。
• 利用流体动力学模拟，将 ET 与基本的前身星和爆发参数（特别是爆发能量、前身星半径和包层质量）联系起来。
• 为从观测到的 ET 和谱线速度推断前身星与爆发性质，提供一种实用的解析框架，避免复杂辐射转移计算。
• 将该方法应用于具有测量 ET 和速度的观测超新星，以约束前身星半径和混合长度参数。

提出的方法

• 使用来自 MESA 恒星演化模型的 145 个红超巨星前身星的一维流体动力学模拟，变化初始质量、金属丰度、自转速度和混合长度参数。
• 在早期同调阶段（1–10 天）计算 ET = Er × t，其中 Er ∝ 1/t 由于绝热冷却，使 ET 恒定且可直接从总光曲线测量。
• 推导 ET 与前身星性质（R*, M_ej, M_env, v_env）之间的解析关系，表明 ET 主要依赖于包层结构和爆发能量。
• 对于 M_env/M_ej ≥ 0.6 的包层，推导出 ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2}，准确度在 30% 以内。
• 利用观测到的 ET 和由谱线红移获得的包层速度，对 11 颗超新星的前身星半径和爆发能量进行约束，并与模拟前身星比较。
• 基于能量守恒和绝热冷却的论证，证明 ET 是爆发能量学和前身星结构的直接探针。

实验结果

研究问题

• RQ1 ET = Er × t 是否可从 II 型超新星光变曲线中可靠测量，并用作与辐射转移无关的可观测量？
• RQ2 在流体动力学模拟的超新星中，ET 如何与前身星半径、爆发能量和包层质量相关联？
• RQ3 ET 与观测到的包层速度在真实超新星中能在多大程度上约束前身星半径和爆发能量？
• RQ4 关系式 ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} 在多样化的前身星模型中准确度如何？
• RQ5 在 11 颗具有观测 ET 和速度的超新星中，ET 和速度的观测结果对前身星半径和混合长度参数有何含义？

主要发现

• ET 在早期同调膨胀阶段（1–10 天）为常数，可直接从总光曲线测量，无需辐射转移计算。
• 对于 M_env/M_ej ≥ 0.6 的前身星，ET ≈ 0.15 × E_exp^{1/2} × R_* × M_ej^{1/2} 成立，准确度在 30% 以内，可直接用于约束爆发能量和前身星半径。
• 当包层速度通过谱线测量时，ET 可独立于爆发能量约束包层质量和半径。
• 将 11 颗具有测量 ET 和速度的观测超新星与模拟前身星比较，结果表明大多数前身星半径 ≤ 500 R☉，暗示混合长度参数较高。
• ET 与包层性质（速度、质量、结构）之间的关系在所有模拟前身星中均保持在 20% 以内准确度，包括那些损失大部分包层的模型。
• ET 对早期阶段 56Ni 衰变和扩散不敏感，使其成为爆发能量学和前身星结构的稳健探针。