[논문 리뷰] VERITAS and Fermi-LAT constraints on the Gamma-ray Emission from Superluminous Supernovae SN2015bn and SN2017egm

A. Acharyya, C. B. Adams외 57명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 VERITAS (VHE; 100 GeV–100 TeV) 와 Fermi-LAT (100 MeV–30 TeV) 를 사용하여 두 개인 수소가 없는 초광명 초신성(SLSNe-I), SN2015bn 와 SN2017egm 에서 고에너지 감마선 방출을 탐색한다. 검출되지 않았음에도 불구하고 유도된 상한은 자석자기 모형의 자석자기 감속 빛줄기 에너지 밀도에 가까워지며, 자석자기 추진 에너지 주입이 폭발 물질을 가열하는 모형을 제약한다. 이 결과는 향후 CTA 와 VERITAS 를 이용한 VHE 감마선 탐색에 중요한 기준을 제시한다.

ABSTRACT

Superluminous supernovae (SLSNe) are a rare class of stellar explosions with luminosities ~10-100 times greater than ordinary core-collapse supernovae. One popular model to explain the enhanced optical output of hydrogen-poor (Type I) SLSNe invokes energy injection from a rapidly spinning magnetar. A prediction in this case is that high-energy gamma rays, generated in the wind nebula of the magnetar, could escape through the expanding supernova ejecta at late times (months or more after optical peak). This paper presents a search for gamma-ray emission in the broad energy band from 100 MeV to 30 TeV from two Type I SLSNe, SN2015bn, and SN2017egm, using observations from Fermi-LAT and VERITAS. Although no gamma-ray emission was detected from either source, the derived upper limits approach the putative magnetar's spin-down luminosity. Prospects are explored for detecting very-high-energy (VHE; 100 GeV - 100 TeV) emission from SLSNe-I with existing and planned facilities such as VERITAS and CTA.

연구 동기 및 목표

• SLSNe-I 의 자석자기 추진 모형을 검증하기 위해 SN2015bn 와 SN2017egm 에서 고에너지 감마선 방출을 탐색한다.
• 자석자기 풍압 네뷸라에서 방출되는 감마선 빛줄기 에너지 밀도를 늦은 시기의 초신성 폭발 물질을 통과할 때의 탈출 비율을 제약한다.
• 현재(VERITAS) 및 향후(CTA) 기기로 SLSNe-I 에서 VHE 감마선 방출의 탐지 가능성 평가.
• 자기 투과도와 시간 지연이 SLSNe-I 에서 감마선의 가시성에 미치는 영향 평가.
• 광학 피크 이후의 다양한 시점에서 SLSNe-I 에 대한 다중 대역 감마선 상한을 최초로 제공.

제안 방법

• SN2015bn 와 SN2017egm 에 대해 장기간 관측 기간 동안 Fermi-LAT (100 MeV–30 TeV) 와 VERITAS (100 GeV–100 TeV) 데이터를 통합 분석한다.
• 자석자기 감속 빛줄기 모형(Lmag(t) = Erot / τp²(1 + 2t/τp)²) 을 사용하여 자전 에너지와 감속 시간 상수에 기반해 감마선 방출을 예측한다.
• 감마선 투과도 모형 τγ = At⁻² 와 효과적 투과도 κγ 를 적용하여 자석자기 풍압에서 고에너지 광자의 탈출 비율을 추정한다.
• 시간 적분 확산 모형 (식 A3) 을 통해 총 빛줄기 에너지 밀도 Ltot(t) 를 계산하고, 열화분율 (1 − e⁻ᴬᵗ⁻²) 을 사용해 감마선 탈출 빛줄기 에너지 밀도 Lγ = Ltot − Lopt 를 계산한다.
• Fermi-LAT 와 VERITAS 의 기기 응답 함수를 사용하여 우도 기반 분석을 통해 감마선 플럭스 상한을 계산한다.
• SLSNe-I 의 발생률, 거리, 관측 시간 제약(10시간 및 50시간 통합) 을 바탕으로 VERITAS 와 CTA 의 탐지율을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 VHE 및 HE 기기로 자석자기 추진 SLSNe-I 에서 고에너지 감마선 방출을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 관측된 감마선 상한이 SN2015bn 와 SN2017egm 에서 예측된 자석자기 감속 빛줄기 에너지 밀도와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 VERITAS 와 향후 CTA 는 SLSNe-I 에서 VHE 감마선 방출을 얼마나 자주 탐지할 수 있는가?
• RQ4 폭발 물질의 투과도가 늦은 시기의 감마선 탈출을 어느 정도 억제하는가?
• RQ5 감마선 비검출과 일치하는 방출 모형(자석자기, 충격 가속, 블랙홀 제트)은 무엇인가?

주요 결과

• Fermi-LAT 와 VERITAS 를 사용하여 100 MeV 에서 30 TeV 에 이르는 에너지 범위에서 SN2015bn 와 SN2017egm 에서 유의미한 감마선 방출을 검출하지 못했다.
• 95% 신뢰수준 상한이 두 SLSNe-I 에 대해 예측된 자석자기 감속 빛줄기 에너지 밀도에 근접함을 확인하였다.
• 상한은 SN2015bn 와 SN2017egm 에서 블랙홀에 대한 재흡착에 의해 추진되는 상대론적 제트가 존재하지 않음을 배제한다.
• VERITAS 는 10시간 관측으로 연간 0.4개의 SLSNe-I 를 탐지할 수 있으며, 50시간 통합 시 연간 4건으로 증가한다.
• CTA 는 10시간 관측으로 연간 8건, 50시간 통합으로 연간 80건의 탐지율을 예측한다.
• 분석 결과, 근접하고 밝은 천체일 경우 현재 및 차세대 IACT 기기로 SLSNe-I 에서 VHE 감마선 방출을 잠재적으로 탐지할 수 있음을 확인하였다.