[论文解读] Spectroscopic Discovery of the Broad-Lined Type Ic Supernova 2010bh Associated with the Low-Redshift GRB 100316D

R. Chornock, E. Berger+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 39

一句话总结

本文通过使用麦哲伦望远镜获取的每晚光学和近红外光谱，首次对红移 z = 0.0593 的低红移伽马射线暴 GRB 100316D 关联的宽线 Ic 型超新星 SN 2010bh 进行了光谱学发现。关键发现是，SN 2010bh 在爆发后 21 天时表现出约 26,000 km s⁻¹ 的光球层速度——是 SN 1998bw 的两倍，表明其爆炸更具能量或具有不同的抛射物结构，且未检测到氦线，宿主环境金属量较低。

ABSTRACT

We present the spectroscopic discovery of a broad-lined Type Ic supernova (SN 2010bh) associated with the nearby long-duration gamma-ray burst (GRB) 100316D. At z = 0.0593, this is the third-nearest GRB-SN. Nightly optical spectra obtained with the Magellan telescopes during the first week after explosion reveal the gradual emergence of very broad spectral features superposed on a blue continuum. The supernova features are typical of broad-lined SNe Ic and are generally consistent with previous supernovae associated with low-redshift GRBs. However, the inferred velocities of SN 2010bh at 21 days after explosion are a factor of ~2 times larger than those of the prototypical SN 1998bw at similar epochs, with v ~ 26,000 km/s, indicating a larger explosion energy or a different ejecta structure. A near-infrared spectrum taken 13.8 days after explosion shows no strong evidence for He I at 1.083 microns, implying that the progenitor was largely stripped of its helium envelope. The host galaxy is of low luminosity (M_R ~ -18.5 mag) and low metallicity (Z < 0.4 Z_solar), similar to the hosts of other low-redshift GRB-SNe.

研究动机与目标

• 通过光谱观测确认 GRB 100316D 与超新星之间的关联。
• 表征超新星的物理特性，包括抛射物速度、元素组成和爆炸能量。
• 通过搜索氦线来研究前身星的剥离历史。
• 确定 GRB-SN 环境的金属量和宿主星系特性。
• 将 SN 2010bh 与其他 GRB-SN 进行比较，评估爆炸能量和抛射物结构的多样性。

提出的方法

• 在伽马射线暴触发后前 22 天内，使用麦哲伦望远镜（Baade 和 Clay）进行每晚的光学光谱观测。
• 在爆发后 13.8 天，利用 Baade 望远镜上的 FIRE 仪器获取近红外光谱，以探测 1.083 µm 处的 He I 线。
• 通过光学光谱中 Si II λ6355 吸收线蓝端位置测量光球层速度。
• 利用 [O III] λ4363 线的电子温度法和强线诊断法（R₂₃ 和 O3N2）在 LDSS3 光谱中推导金属量。
• 通过 IMACS 成像估算宿主星系的光度，并对超新星贡献进行修正。
• 通过 Hα/Hβ 通量比和早期光谱的蓝端连续谱形状评估消光。

实验结果

研究问题

• RQ1 与 GRB 100316D 关联的超新星的光谱学性质是什么？
• RQ2 SN 2010bh 的抛射物速度与其它 GRB-SN（特别是 SN 1998bw）相比如何？
• RQ3 在抛射物中是否存在氦的证据，表明前身星未被完全剥离？
• RQ4 宿主星系及其超新星局部环境的金属量是多少？
• RQ5 宿主星系的光度和恒星形成历史如何与 GRB-SN 现象相关？

主要发现

• SN 2010bh 在伽马射线暴触发后 2.33 天被光谱探测到，是最早发现的 GRB-SN 之一。
• SN 2010bh 在爆发后 21 天时的光球层速度达到约 26,000 km s⁻¹，约为 SN 1998bw 在相似历元时速度的两倍。
• 在 1.083 µm 处未检测到显著吸收特征，表明氦不存在，与高度剥离的前身星一致。
• 宿主星系光度较低（M_R ≈ -18.5 mag），金属量较低，log(O/H)+12 ≈ 7.8–8.3，对应 Z ≲ 0.4 Z⊙。
• SN 2010bh 的速度演化比其他 GRB-SN 更为缓慢，提示抛射物结构或爆炸动力学可能存在多样性。
• 超新星环境消光可忽略，Hα/Hβ 通量比与 Case B 再结合一致，且存在约 6 Myr 的年轻星族。