[论文解读] The population of SNe/SNRs in the starburst galaxy Arp 220. A self-consistent analysis of 20 years of VLBI monitoring

E. Varenius, J. E. Conway+7 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Feb 15, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 42被引用 4

一句话总结

本研究对阿尔普220进行了20年的自洽VLBI分析，检测到97个紧凑射电源，并发现其光度函数符合 $n(L)\propto L^{-2.19\pm0.15}$，与正常星系中的超新星遗迹（SNRs）一致。研究揭示了光度-直径关系，并识别出两组源：明亮、紧凑的超新星（可能为IIn型）和更大、较暗的SNRs，其中更暗的源可能通过宇宙射线再加速机制显著贡献于总辐射。

ABSTRACT

The nearby ultra-luminous infrared galaxy (ULIRG) Arp 220 is an excellent laboratory for studies of extreme astrophysical environments. For 20 years, Very Long Baseline Interferometry (VLBI) has been used to monitor a population of compact sources thought to be supernovae (SNe), supernova remnants (SNRs) and possibly active galactic nuclei (AGNs). Using new and archival VLBI data spanning 20 years, we obtain 23 high-resolution radio images of Arp 220 at wavelengths from 18 cm to 2 cm. From model-fitting to the images we obtain estimates of flux densities and sizes of all detected sources. We detect radio continuum emission from 97 compact sources and present flux densities and sizes for all analysed observation epochs. We find evidence for a LD-relation within Arp 220, with larger sources being less luminous. We find a compact source LF $n(L)\propto L^β$ with $β=-2.19\pm0.15$, similar to SNRs in normal galaxies. Based on simulations we argue that there are many relatively large and weak sources below our detection threshold. The observations can be explained by a mixed population of SNe and SNRs, where the former expand in a dense circumstellar medium (CSM) and the latter interact with the surrounding interstellar medium (ISM). Nine sources are likely luminous, type IIn SNe. This number of luminous SNe correspond to few percent of the total number of SNe in Arp 220 which is consistent with a total SN-rate of 4 yr$^{-1}$ as inferred from the total radio emission given a normal stellar initial mass function (IMF). Based on the fitted luminosity function, we argue that emission from all compact sources, also below our detection threshold, make up at most 20\% of the total radio emission at GHz frequencies.

研究动机与目标

• 对阿尔普220的20年VLBI数据进行自洽分析，以超越以往研究，提升源的检测与分类能力。
• 增加具有可靠尺寸估计的紧凑源数量，以更准确地表征SN/SNR群体。
• 推导紧凑源的光度函数（LF），并研究在阿尔普220极端环境中是否存在潜在的光度-直径（LD）关系。
• 评估未resolved或较暗源对总射电发射的贡献，特别是考虑非热粒子加速机制的影响。

提出的方法

• 获取并重新处理了20年监测期间获得的23幅高分辨率VLBI图像，波长范围从18厘米到2厘米。
• 对可见度数据进行模型拟合，以估计紧凑源的流量密度和尺寸，所有数据集均采用一致的校准与成像技术。
• 基于光变曲线、谱指数和形态尺寸对源进行分类，以区分超新星（SNe）、超新星遗迹（SNRs）及可能的活动星系核（AGN）候选体。
• 对最亮的6厘米源拟合多频段超新星光变曲线模型，以估算爆发参数，如爆发能量和周围介质密度。
• 对光度函数进行统计分析，并研究选择效应，以评估光度-直径关系的可靠性。
• 通过搜索射电喷流及分析图像噪声中的非高斯特征，评估潜在AGN的贡献，包括考虑未来灵敏度提升的叠加与锥形处理技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 阿尔普220中紧凑射电源的真实数量与分布是多少？在20年的VLBI监测中，它们如何演化？
• RQ2 阿尔普220中紧凑源的光度函数形状如何？与正常星系中的光度函数相比有何异同？
• RQ3 紧凑源之间是否存在光度-直径关系？这对其演化状态有何启示？
• RQ4 较暗或未检测到的源在总射电发射中贡献有多大？宇宙射线再加速等机制能否解释缺失的流量？
• RQ5 由于空间分辨率不足或活动具有周期性，潜在的AGN群体是否可能隐藏在数据中？未来观测如何对此进行约束？

主要发现

• 本研究在阿尔普220中检测到97个紧凑射电源，其光度函数最符合 $n(L)\propto L^{-2.19\pm0.15}$，与宁静星系中SNRs的观测结果一致。
• 源的空间分布与两个核的恒星形成盘相吻合，表明与持续恒星形成存在强相关性。
• 发现了光度-直径关系的证据，即更大的源通常更不亮，尽管选择效应使精确量化变得复杂。
• 观测到的源群体最合理的解释是两组：非常明亮、紧凑的超新星（可能为IIn型）和更大、较暗的与星际介质相互作用的SNRs。
• 检测到的极亮超新星数量与标准初始质量函数及星系总恒星形成速率的预期一致，尽管其年龄估计仍存在不确定性。
• 将光度函数外推至检测限以下，表明这些源最多贡献GHz频段总射电流量的20%，暗示其余部分可能由次级宇宙射线过程解释。