[论文解读] The broad-line type Ic SN 2020bvc: signatures of an off-axis gamma-ray burst afterglow

L. Izzo, Katie Auchettl+6 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Apr 13, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 76被引用 6

一句话总结

该论文将 SN 2020bvc 确认为首例通过其伴随的超新星辐射探测到的孤立伽马射线暴（GRB）余晖。研究在多波段观测中识别出喷流轴外的喷流驱动的喷流包层辐射和X射线余晖特征，证实该喷流的倾角约为23°，解释了由于光束方向偏离而未探测到早期GRB的原因。

ABSTRACT

Long-duration gamma-ray bursts (GRBs) are almost unequivocally associated with very energetic, broad-lined supernovae (SNe) of Type Ic-BL. While the gamma-ray emission is emitted in narrow jets, the SN emits radiation isotropically. Therefore, some SN Ic-BL not associated with GRBs have been hypothesized to arise from events with inner engines such as off-axis GRBs or choked jets. Here we present observations of the nearby ($d = 120$ Mpc) SN 2020bvc (ASAS-SN 20bs) which support this scenario. extit{Swift} UVOT observations reveal an early decline (up to two days after explosion) while optical spectra classify it as a SN Ic-BL with very high expansion velocities ($\approx$ 70,000 km/s), similar to that found for the jet-cocoon emission in SN 2017iuk associated with GRB 171205A. Moreover, extit{Swift} X-Ray Telescope and extit{CXO} X-ray Observatory detected X-ray emission only three days after the SN and decaying onwards, which can be ascribed to an afterglow component. Cocoon and X-ray emission are both signatures of jet-powered GRBs. In the case of SN 2020bvc, we find that the jet is off axis (by $\approx$ 23 degrees), as also indicated by the lack of early ($\approx 1$ day) X-ray emission which explains why no coincident GRB was detected promptly or in archival data. These observations suggest that SN 2020bvc is the first orphan GRB detected through its associated SN emission.

研究动机与目标

• 研究 SN 2020bvc 的本质，这是一颗具有极端速度的近距 Ic-BL 型超新星，以确定其是否与喷流驱动事件相关。
• 检验假设：部分未探测到GRB的 Ic-BL 型超新星源于轴外伽马射线暴或受阻喷流。
• 在 SN 2020bvc 的多波段光曲线和光谱中识别轴外GRB余晖的观测特征。
• 利用X射线和光学数据约束喷流几何结构和视线角度，特别是延迟的X射线探测和早期光学衰减。
• 排除其他解释，如标准 Ic-BL 型超新星或由冲击环周介质产生的射电余晖。

提出的方法

• 分析 Swift UVOT 和 X射线望远镜（XRT）的光曲线，以探测爆炸后早期的光学衰减和延迟的X射线余晖辐射。
• 利用钱德拉X射线天文台（CXO）的高分辨率X射线数据，确认X射线发射在爆炸后约3天开始。
• 假设周围介质密度分布为幂律形式（ρ ∝ R⁻ᵏ），k = 0、1.5 和 2.0，对X射线光曲线进行轴外GRB余晖模型拟合。
• 将 SN 2020bvc 在爆炸后24天获得的光学光谱与已知GRB-超新星的光谱进行比较，识别出高能级Fe-峰特征和喷流-包层特征。
• 在核心塌缩时刻（2月4.0 ± 0.1日）搜索 Fermi-GBM 和 INTEGRAL 归档数据，寻找伽马射线对应源，未发现显著探测结果。
• 通过光谱分析评估超新星环境，推断出低金属丰度，与塌缩星模型及喷流形成一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管未探测到早期GRB，SN 2020bvc 是否表现出轴外伽马射线暴余晖的特征？
• RQ2 SN 2020bvc 中喷流的视线角度是多少？其如何解释早期X射线和伽马射线辐射缺失？
• RQ3 观测到的早期光学衰减和延迟X射线辐射是否可由相对论性喷流产生的包层和余晖辐射解释？
• RQ4 X射线光曲线是否与轴外GRB余晖模型一致？其对周围介质密度分布提出了何种约束？
• RQ5 该超新星环境的金属丰度是多少？是否支持 Ic-BL 型超新星中喷流形成的塌缩星模型？

主要发现

• SN 2020bvc 在爆炸后前两天内表现出早期光学衰减，与喷流驱动超新星的包层辐射一致。
• 爆炸后24天的光学光谱显示具有高红移速度（≈70,000 km/s）的吸收特征，为喷流-包层辐射中Fe-峰元素的典型特征，与与 GRB 171205A 相关的 SN 2017iuk 相似。
• X射线辐射仅在爆炸后三天被探测到，且呈幂律衰减，与轴外GRB余晖一致，而非标准超新星或冲击环周介质产生的辐射。
• X射线光曲线的模型拟合表明喷流视线角度约为23度，解释了由于光束方向偏离而未出现早期伽马射线辐射。
• 在 Fermi-GBM 和 INTEGRAL 归档数据中未探测到核心塌缩时刻的显著伽马射线对应源，仅发现一个位于距离超新星位置93.71度的亚阈值事件。
• 对晚期超新星光谱的分析表明环境为低金属丰度（[Z/H] ≈ -1.5），支持塌缩星模型及大质量、低金属丰度的沃尔夫-拉叶星前身星形成喷流。