PAN-STARRS1发现的z~0.9的极亮超新星

(这个星期在拼命的写论文的初稿,确实比较繁忙,不过还是要抽空写点儿东西的,本文依然是我最爱的介绍观测发现的文章,而且正好可以借这篇文章介绍一下PAN-STARRS和超新星的一些东西)

标题:Pan-STARRS1 Discovery of Two Ultra-Luminous Supernovae at z ~ 0.9

  • 作者:L. Chomiuk, R. Chornock, A. M. Soderberg, E. Berger, M. E. Huber, G. Narayan, A. Rest, R. A. Chevalier, R. J. Foley, S. Gezari, R. P. Kirshner, A. Riess 等
  • 论文索引:astro-ph:1107.3552
  • 编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

    背景知识:

    Pan-STARRS计划:

    Pan-STARRS,英文全称为 “the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System”,可以翻译成“全景巡天望远镜及快速反应系统”,不过国内似乎也有人翻译为泛星计划,后面为了省略简称PS吧。PS是“后SDSS巡天时代”中的一员得力干将,基本上新开始的大视场测光巡天项目都从SDSS的经验中学到了多波段,快速反应,重复观测的重要性,在不影响测光和天体测量精度的前提下,把探测空间大大拓展,尤其是在时域分辨能力上,河外星系是会一直老老实实的待在那里的,多次观测叠加数据依然可以达到需要的观测深度,但是像小行星,变星,超新星,GRB余辉这样的快速光变或位置改变的天体是需要快速的重复观测带来的时间分辨率的;在SDSS中,通过对Stripe 82天区的多次重复观测实验已经证明了其效果,因而新一代的巡天,Pan-STARRS, SkyMapper以及未来的LSST都在测光策略上做了调整。


    fig1

    Fig.1: 夜色下的 Pan-STARRS1 巡天望远镜

    Pan-STARRS的设计目标是4架口径1.8m的望远镜安置在同一个观测地点上,观测时对准同一个天区,观测后,数据会被合并起来,相当于一架3.6m的望远镜。Pan-STARRS最终会安置到Hawaii的某个山头上,有一种可能甚至是把旧的2.2m望远镜拆掉,不过目前的Pan-STARR先建了一架单独的1.8m望远镜,配合着一个 1,400,000,000 像素的CCD阵列,目前已经开始了巡天工作,在工作波段已经覆盖了全天很多遍,在发现近地小行星和超新星上多有斩获;关于Pan-STARRS的具体信息请参考上面给出的官方网站,值得一提的是台湾国立中央大学参与了PS1的建设。

    什么是极亮超新星:

    所谓的极亮超新星无非就是光度更高的超新星,其主要的特征就是在光变曲线的极值处的最高Bolometric光度超过了-21星等,对应于爆发能量超过了 10^{51} erg,不过这个光度还只能称为”Ultra-Luminous Supernova”,还没有到达传说中的Hypernova的境界。收益于最近的大视场超新星巡天的开展,比如Texas Supernova Search以及Palomar Transient Factory等项目,近年来已经发现了一些符合这个标准的超新星,这些超新星最大的特点就是性质非常多样,从像Type Ic (主意,和Type Ia没有关系,而是大质量恒星演化的产物,同为I型只是因为他们的光谱中都没有H元素的痕迹; 一种可能是这样的超新星来自于对不稳定性 (Pair-Instability))型超新星的 SN 2007bi (关于超新星的命名请参考这里); 到Type IIn型的超新星SN 2006gy,这里的n代表着星云发射线,意味着超新星的爆发过程中有明显的和星周介质的相互作用。这两个极亮超新星虽然罕见,但都不如SCP 06F6这个奇怪的爆发天体,其观测光谱几乎没有什么特征除了几条比较宽的吸收线,以至于其红移在很长时间内都不能确定,不过随着各种观测数据的不断收集,以及类似天体的重新发现,比如SN 2005ap,有证据将这类天体的距离指向宇宙学尺度上 (对前面两个天体,红移可能在0.25-0.5之间),使得其成为可能的已知的本征光度最高的超新星

    这类非常有意思的极亮超新星的特征,除了非常明显的高光度光变曲线峰值之外,就要数在30天的时间尺度上呈现出的几乎对称的上升和下降光变曲线轮廓,以及只在光谱蓝端可以认证出来的少数几条吸收线 (主要来自C,O,Si等相对比较“轻”的金属元素),目前没有证据显示这些超新星中存在H或者是He元素,FeII,FeIII等吸收线也没有探测。虽然观测证据还不够多,已经有不止一个模型被提出来解释这些极亮超新星,包括超新星的激波和外围的贫H的星周介质的相互作用,以及在超新星遗迹中心新形成的磁星 (Magnetar)的作用,似乎这两种模型的提出者分别是Chevalier和Woosley两位大牛,模型如何暂且不说,至少说明这类稀有的天体 (在文章中称为SCP 06F6-like天体) 是非常值得关注的。

    本文工作:

    本文的观测一言以蔽之就是用PS1的观测发现了两颗红移等于0.9的SCP 06F6-like极亮超新星,并利用多波段的观测首次将这类天体的多色,完整的光变曲线确认下来。这里先将简要的介绍一下观测的一些细节,主要的结论会总结在下一个部分;在超新星的巡天观测和后续确认中,首先最重要的是保持多波段的连续测光,构建尽可能完整的光变曲线 (这也是为什么像PTF这样的项目要网罗分布在世界各地的望远镜开展“星不落”的观测);其次,连续的光学光谱观测也需要进行,第一,需要利用光谱特征将超新星的红移确认下来,这对于确认超新星最终的本征光度非常重要,第二,可以利用光谱确认超新星的具体类型,第三,光谱本身也具有显著的变化,一些光谱特征的演化对于研究超新星模型和爆发过程,星周环境非常有价值;除此之外,对于PS1这样的巡天观测,需要自己研究以前的观测资料,试图找出可能的宿主星系,或者对于特别邻近的星系,找出可能的前身星;如果可能的话,多波段的数据,包括来自紫外,或者红外等波段的数据也最好能够及时的补充进来。


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    Fig.2:本文发现的两颗极亮超新星的爆发前和爆发后的PS1观测图象对比

    对于PS1,测光观测在g_{P1}, r_{P1}, i_{P1}, z_{P1}, 和y_{P1} 5个波段进行,前面4个波段和SDSS的 g, r, i, z基本一致,但针对在测光红移等的表现上做了进一步的改进;发现这两颗超新星的是PS1巡天中的中等深度巡天:Medium Deep Survey (MDS),这个部分占了PS1总观测时间的约25%;本文新发现的两颗极亮超新星:PS1-10awh 和 PS1-10ky 首先发现于2010年10月和11月,在发现后随即用 MMT 做了光谱观测,并利用光谱中的 MgII 双吸收线结构确认了红移:两者的红移分别是z=0.9084z=0.9558;GALEX的紫外数据和EVLA的射电连续谱观测也及时的加入了进来;此外,虽然这两颗超新星的宿主星系没有能被直接观测到,(基于PS1的观测),但依然给出了宿主星系的光度上限和恒星形成率上限的估计。

    这两颗超新星除了相近的光度和红移之外,还有一个非常有意思的特点就是PS1-10ky在发现的时侯已经是处于光变曲线的峰值附近,随后的观测指示出了光度下降的过程,而PS1-awh在发现的时侯流量刚刚开始上升,PS1的观测追踪了光度逐渐上升到峰值的过程。两颗超新星的PS1 5波段测光光变曲线展示在下图:


    fig2

    Fig.3: 两颗超新星的PS1观测光变曲线,其中箭头表示的是PS1给出的3 \sigma观测上限。

    主要结论:

    本文的分析非常的具体,这里依然是简单的总结一下最主要的几个结论,具体细节请参考文章内容:


    fig1

    Fig.4: 由两颗超新星观测合并起来的绝对光度和颜色变化曲线,可以看到很好的对称性和一致性

  • 1. 首先,利用多波段,多阶段的测光和光谱观测,PS1发现了两颗红移在0.9附近的极亮超新星,这两颗超新星在几个月的时标内释放的能量超过了 10^{51} erg,绝对星等亮于-22.5等,使得这两颗超新星成为了有史以来发现的最亮超新星之一,属于前面介绍过的SCP 06F6类超新星天体。
  • 2. 通过有时间分辨的光谱观测可以对吸收线特征的视向速度的演化进行仔细的研究,如果观测光谱的分辨率足够的话,这些特征的视向速度的可能演化是可以被测量出来的,对于一个超新星爆发,如果不断膨胀的壳层可以被观测到,应该会看到这些光谱特征的视向速度会下降,对于另一颗SCP 06F6天体SN 2005ap已经观测到了这样的现象;但是对于本文的两个天体,这种视向速度的下降都没有被观测到。这里关键的问题是,这种速度下降产生于可以观测到的光学厚的膨胀壳层,是对这类天体的模型解释所依赖的,看来,位于进一步的给出合理的模型,更多的有光谱演化观测的这类极亮超新星需要被发现。

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    Fig.5: 4颗可能相同类型的极亮超新星的光谱演化,包括了本文新发现的两颗。光谱已经改正到了静止波长下,其中比较重要的几条吸收线也被标注出来

  • 3. 关于这类天体的模型解释,本文通过对超新星总能量和其光度演化的研究给出了一个重要的限制,就是单独依靠放射性衰变不足以提供足够的能量解释其各种性质,而前面提到的星周相互作用磁星模型确实可以对数据给出比较靠谱的拟合,但都需要比较极端的物理条件,这个结果还是很有意思的,因为这类超新星应该本质上属于SNIb或者c类型的大质量恒星的演化终点的爆发,但是似乎只有其中极少的一部分能够成为SCP 06F6类型的天体,因此,这些模型给出的极端物理条件可能是解释其稀少的原因之一。
  • 4. 通过本文发现的两颗超新星的性质对比,以及和前面发现的几颗相似超新星的光变曲线和光谱对比发现,这类天体的性质存在着一定的一致性:其峰值光度,膨胀速度和温度演化的差异都在2倍的范围以内;不过,样本依然过于小,更多的超新星有待发现去检验这类天体的一致性或者内部的性质差异;并且,因为这类超新星一般发现在比较高的红移处 (z>0.5),对于研究这个红移范围中星系中的恒星形成和金属丰度的演化都有重要的意义。

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    Fig.6: 由图5中用到的4颗超新星共同限制出的热光度,温度和半径的演化趋势。

    延伸阅读:

  • 1. 很好很全面的关于超新星内容相关网页的总结
  • 2. Palomar Transient Factory: 另一个非常值得了解的巡天,尤其是在搜索超新星上面
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