[论文解读] Thermal Emission and Radioactive Lines, but No Pulsar, in the Broadband X-Ray Spectrum of Supernova 1987A

Dennis Alp, Josefin Larsson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 179被引用 26

一句话总结

本研究分析了来自超新星1987A的330万秒NuSTAR数据和二十年的XMM-Newton X射线数据，发现宽能段X射线谱最佳由三个温度分别为0.3、0.9和4 keV的热冲击组分解释，未发现非热成分或脉冲星的证据。检测到放射性同素44Ti和55Fe的谱线，将44Ti的质量约束为1.73×10⁻⁴ M⊙，并对任何致密天体的35–65 keV辐射亮度设限为2×10³⁴ erg s⁻¹，10–20 keV波段的脉动分数低于15%。

ABSTRACT

Supernova 1987A offers a unique opportunity to study an evolving supernova in unprecedented detail over several decades. The X-ray emission is dominated by interactions between the ejecta and the circumstellar medium, primarily the equatorial ring (ER). We analyze 3.3 Ms of NuSTAR data obtained between 2012 and 2020, and two decades of XMM-Newton data. Since ${\sim}$2013, the flux below 2 keV has declined, the 3-8 keV flux has increased, but has started to flatten, and the emission above 10 keV has remained nearly constant. The spectra are well described by a model with three thermal shock components. Two components at 0.3 and 0.9 keV are associated with dense clumps in the ER, and a 4 keV component may be a combination of emission from diffuse gas in the ER and the surrounding low-density H II region. We disfavor models that involve non-thermal X-ray emission and place constraints on non-thermal components, but cannot firmly exclude an underlying power law. Radioactive lines show a $^{44}$Ti redshift of $670^{+520}_{-380}$ km s$^{-1}$, $^{44}$Ti mass of $1.73_{-0.29}^{+0.27} imes{}10^{-4}$ solar masses, and $^{55}$Fe mass of $<4.2 imes{}10^{-4}$ solar masses. The 35-65 keV luminosity limit on the compact object is $2 imes{}10^{34}$ erg s$^{-1}$, and $<15$% of the 10-20 keV flux is pulsed. Considering previous limits, we conclude that there are currently no indications of a compact object, aside from a possible hint of dust heated by a neutron star in recent ALMA images.

研究动机与目标

• 确定0.5–60 keV能量范围内超新星1987A的X射线辐射性质。
• 通过谱模型和通量变异性检验是否存在非热辐射或脉冲星风星云。
• 测量44Ti和55Fe放射性谱线参数，以推断核合成产额并约束爆发机制。
• 对任何致密天体的X射线亮度和脉动分数施加严格限制。
• 评估宽能段X射线谱中热成分与非热成分的相对贡献。

提出的方法

• 对2012–2020年期间获得的330万秒NuSTAR数据与二十年XMM-Newton观测数据进行联合分析。
• 采用三个组分的热冲击模型进行谱拟合，各组分温度分别为0.3、0.9和4 keV。
• 对44Ti（67.87、78.32 keV）和55Fe（5.9 keV）的放射性衰变谱线进行建模，包括红移与质量测量。
• 通过统计比较含与不含非热幂律成分的模型，评估其必要性。
• 采用连续温度分布模型，检验离散组分拟合结果的稳健性。
• 对10–20 keV波段的脉动分数进行分析，以约束假定脉冲星的辐射特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SN 1987A的X射线辐射主要起源于热辐射还是非热辐射？
• RQ2 喷流环及周围介质中冲击组分的物理温度和发射量分别是多少？
• RQ3 从其放射性衰变谱线推断，44Ti和55Fe的质量与运动学特性如何？
• RQ4 能否基于X射线亮度和脉动分数限制排除脉冲星或脉冲星风星云的存在？
• RQ5 X射线光 light curves 和谱硬化比如何随时间演化？它们揭示了何种冲击动力学信息？

主要发现

• X射线谱最佳由三个热冲击组分拟合：0.3 keV（喷流环中的致密团块）、0.9 keV（喷流环或电离区的弥散成分）和4 keV（弥散气体与电离区的组合）。
• 44Ti的红移测量为670+520−380 km s−1，44Ti质量为1.73+0.27−0.29 × 10⁻⁴ M⊙，与非对称爆发模型一致。
• 55Fe质量被约束在小于4.2 × 10⁻⁴ M⊙以内，表明该同素的生成量有限。
• 对任何致密天体的35–65 keV亮度设限为2 × 10³⁴ erg s⁻¹，排除了明亮脉冲星或磁星的存在。
• 10–20 keV波段的脉动分数低于15%，未提供任何旋转中子星存在的证据。
• 无需显著的非热成分；所有谱特征均可由热辐射和放射性谱线良好解释。