[论文解读] VERITAS and Fermi-LAT constraints on the Gamma-ray Emission from Superluminous Supernovae SN2015bn and SN2017egm

A. Acharyya, C. B. Adams+57 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本研究利用VERITAS（VHE；100 GeV–100 TeV）和Fermi-LAT（100 MeV–30 TeV）对两颗氢缺乏的超亮超新星（SLSNe-I），即SN2015bn和SN2017egm，进行了高能伽马射线辐射的搜寻。尽管未检测到信号，但所得的上限已接近预测的磁星自旋损耗光度，从而对磁星驱动能量注入加热喷流的模型构成约束。该结果为未来CTA和VERITAS的VHE伽马射线搜寻提供了关键基准。

ABSTRACT

Superluminous supernovae (SLSNe) are a rare class of stellar explosions with luminosities ~10-100 times greater than ordinary core-collapse supernovae. One popular model to explain the enhanced optical output of hydrogen-poor (Type I) SLSNe invokes energy injection from a rapidly spinning magnetar. A prediction in this case is that high-energy gamma rays, generated in the wind nebula of the magnetar, could escape through the expanding supernova ejecta at late times (months or more after optical peak). This paper presents a search for gamma-ray emission in the broad energy band from 100 MeV to 30 TeV from two Type I SLSNe, SN2015bn, and SN2017egm, using observations from Fermi-LAT and VERITAS. Although no gamma-ray emission was detected from either source, the derived upper limits approach the putative magnetar's spin-down luminosity. Prospects are explored for detecting very-high-energy (VHE; 100 GeV - 100 TeV) emission from SLSNe-I with existing and planned facilities such as VERITAS and CTA.

研究动机与目标

• 通过搜寻SN2015bn和SN2017egm的高能伽马射线辐射，检验SLSNe-I的磁星驱动模型。
• 约束磁星风星云通过晚期超新星喷流逃逸的预期伽马射线光度。
• 评估当前（VERITAS）和未来（CTA）仪器对SLSNe-I的VHE伽马射线辐射的可探测性。
• 评估光学厚度和时间延迟对SLSNe-I中伽马射线可见性的影响。
• 提供SLSNe-I在不同光度峰值后不同历元的首个多波段伽马射线上限。

提出的方法

• 对SN2015bn和SN2017egm在长时间观测期内，联合分析Fermi-LAT（100 MeV–30 TeV）和VERITAS（100 GeV–100 TeV）的数据。
• 采用磁星自旋损耗光度模型（Lmag(t) = Erot / τp²(1 + 2t/τp)²），基于旋转能量和自旋损耗 timescale 预测伽马射线辐射。
• 应用伽马射线光学厚度模型 τγ = At⁻²，结合有效不透明度 κγ，估算高能光子从磁星风中逃逸的比例。
• 通过时间积分扩散模型（公式A3）计算总光度 Ltot(t)，并利用热化分数（1 − e⁻ᴬᵗ⁻²）计算伽马射线逃逸光度 Lγ = Ltot − Lopt。
• 使用基于似然的分析方法和Fermi-LAT与VERITAS的仪器响应函数，计算伽马射线通量的上限。
• 基于SLSNe-I的事件率、距离以及观测时间约束（10小时和50小时积分），预测VERITAS和CTA的探测率。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前的VHE和HE仪器能否探测到磁星驱动SLSNe-I的高能伽马射线辐射？
• RQ2 观测到的伽马射线上限与SN2015bn和SN2017egm预测的磁星自旋损耗光度相比如何？
• RQ3 VERITAS和即将问世的CTA对SLSNe-I的VHE伽马射线探测率预期是多少？
• RQ4 喷流的光学厚度在晚期在多大程度上抑制伽马射线逃逸？
• RQ5 哪些辐射模型（磁星、激波加速、黑洞喷流）与伽马射线的非探测结果一致？

主要发现

• 使用Fermi-LAT和VERITAS在100 MeV至30 TeV能量范围内，未探测到SN2015bn或SN2017egm的显著伽马射线辐射。
• 在95%置信水平下，推导出的伽马射线通量上限接近两种SLSNe-I的预测磁星自旋损耗光度。
• 上限结果排除了在SN2015bn和SN2017egm中存在由黑洞吸积回落驱动的相对论性喷流。
• 对于VERITAS，10小时的观测可实现每年探测0.4个SLSNe-I，50小时积分时提升至每年4个事件。
• 对于CTA，10小时观测的探测率预计为每年8个事件，50小时积分时提升至每年80个事件。
• 分析结果证实，只要源足够近且足够明亮，SLSNe-I的VHE伽马射线辐射在当前和下一代IACT仪器下仍具有潜在可探测性。