[论文解读] The Properties of Hypernovae: SNe Ic 1998bw, 1997ef, and SN IIn 1997cy

K. Nomoto, P. A. Mazzali+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，SNe Ic 1998bw、1997ef 以及 SN IIn 1997cy 为超新星——具有超过 1×10⁵² erg 动能的极高能超新星——因其光度高的光变曲线、展宽的光谱特征以及高速喷出物而被认定。流体动力学建模表明，这些事件需要较大的 ⁵⁶Ni 质量（1998bw 为 0.5–0.7 M☉）和非球对称爆炸，从而将其与伽马射线暴（GRB）现象联系起来。

ABSTRACT

We discuss the properties of the hyper-energetic Type Ic supernovae (SNe Ic) 1998bw and 1997ef and Type IIn supernova (SN IIn) 1997cy. SNe Ic 1998bw and 1997ef are characterized by their large luminosity and the very broad spectral features. Their observed properties can be explained if they are very energetic SN explosions with the kinetic energy of $E_{ m K} \gsim 1 imes10^{52}$ erg, originating probably from the core collapse of the bare C+O cores of massive stars ($\sim 30-40$M$_\odot$). At late times, both the light curves and the spectra suggest that the explosions may have been asymmetric; this may help us understand the claimed connection with GRB's. The Type IIn SN 1997cy is even more luminous than SN 1998bw and the light curve declines more slowly than $^{56}$Co decay. We model such a light curve with circumstellar interaction, which requires the explosion energy of $\sim 5 imes 10^{52}$ erg. Because these kinetic energies of explosion are much larger than in normal core-collapse SNe, we call objects like these SNe "hypernovae". The mass of $^{56}$Ni in SN 1998bw is estimated to be as large as 0.5 - 0.7 $M_\odot$ from both the maximum brightness and late time emission spectra, which suggests that the asymmetry may not be extreme.

研究动机与目标

• 表征 SNe Ic 1998bw、1997ef 与 SN IIn 1997cy 的极端能量特性，将其归类为超新星。
• 确定其光度、展宽光谱特征与光变曲线行为是否可由高能爆炸模型解释。
• 研究非球对称性与喷出物混合在塑造晚期光谱与光变曲线尾部中的作用。
• 评估超新星与伽马射线暴（GRB）之间的关联，特别是通过核合成与爆炸能量学。
• 对 SN IIn 1997cy 的星周介质相互作用进行建模，以解释其缓慢衰减的光变曲线与高能量预算。

提出的方法

• 通过改变动能（E_K）与喷出物质量（M_ej）对 C+O 核塌缩进行流体动力学建模，以重现观测到的光变曲线与光谱。
• 将球对称模型与观测结果对比，检测可能指示非球对称性的偏差，例如 Fe ii 与 O i 线中不同线速度。
• 利用峰值光度与晚期状体光谱中的 ⁵⁶Ni 质量估计值，约束爆炸能量与核合成产物。
• 通过放射性衰变能量沉积与激波加热，对 SN IIn 1997cy 的星周介质相互作用进行建模，以重现其光变曲线。
• 结合偏振数据与状体光谱中的速度演化，推断喷出物非对称性。
• 采用二维核合成模拟评估超新星中混合效应的影响，特别是 ⁵⁶Ni 与中等质量元素。

实验结果

研究问题

• RQ1 为重现 SNe Ic 1998bw 与 1997ef 的高光度光变曲线与展宽光谱特征，所需动能与 ⁵⁶Ni 质量分别为多少？
• RQ2 SN 1997cy 的光变曲线与光谱演化与普通 SNe IIn 有何不同？这对其爆炸能量与前身星有何启示？
• RQ3 SN 1998bw 与 1997ef 喷出物的非球对称性在多大程度上得到晚期光谱速度差异与光变曲线尾部行为的支持？
• RQ4 SN 1997cy 与致密星周介质的相互作用是否可解释其缓慢衰减的光变曲线与高能量输出？
• RQ5 超新星-GRB 关联的统计显著性如何？⁵⁶Ni 质量与爆炸能量的变化如何影响这一关联？

主要发现

• SN 1998bw 具有约 3×10⁵² erg 的动能，并产生 0.5–0.7 M☉ 的 ⁵⁶Ni，与超新星分类一致。
• SN 1997ef 的光变曲线衰减较慢，光谱特征更展宽，⁵⁶Ni 质量约为 0.15 M☉，动能超过 1×10⁵² erg。
• SN 1998bw 的晚期光谱显示铁的膨胀速度高于氧，表明存在显著的非球对称性与喷出物混合。
• SN 1997cy 的光变曲线衰减慢于 ⁵⁶Co 衰变，最佳解释为星周介质相互作用，要求爆炸能量约 3×10⁵² erg。
• 流体动力学模型表明，球对称假设无法重现 SN 1998bw 与 1997ef 的光变曲线尾部，表明爆炸几何结构为非球对称。
• 本研究识别出一类新超新星：Ic 型超新星（如 1998bw、1997ef、1998ey）与 IIn 型超新星（如 1997cy、1999E），二者均具有 E_K >10⁵² erg，且与普通超新星明显不同。