低金属丰度环境下的明亮宽线SNIc超新星:SN2010AY

(昨天CANDELS survey几乎把astroph更新的星系部分包场了,这个庞大的HST加各种设备的多波段观测项目可以非常好的帮助我们理解很大红移范围的星系演化的整体图像,我们以后一定会找机会好好的介绍这个巡天,不过今天先给大家介绍一篇超新星的文章,考虑到利用超新星进行宇宙学研究已经给我们带来了一个Nobel物理学奖,对不了解超新星的同学来说,这应该是一个很好的补课的理由,而且超新星研究也远远不只是利用SNIa型超新星一种,本文的对象就是一类大质量恒星核坍缩产生的超新星的研究,让我们一起来补课吧。。BTW:本文作者是Astrobites网站的管理员之一)

文章:SN 2010ay is a Luminous and Broad-lined Type Ic Supernova within a Low-metallicity Host Galaxy

  • 作者:Nathan E. Sanders, A. M. Soderberg, S. Valenti, L. Chomiuk, E. Berger, S. Smartt, K. Hurley, S. D. Barthelmy 等
  • 论文索引:astro-ph/1110.2363
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景知识

在超新星的大家祖中有一类从名字上看和SNIa超新星很像亲戚的分类:SNIc型超新星,按照最初的,完全依赖于光谱吸收线的分类方法,SNIc和SNIa都属于光谱中缺少H元素吸收线的类型,从光谱上看,SNIa超新星中普遍显示出Si元素的吸收线,而SNIc中不仅缺乏Si元素,连He元素的吸收线都基本消失了;除去光谱上的一点点相似之外,两类超新星在前身星和爆发机制上都毫无相似之处,根据目前的了解,SNIc超新星应该是特别大质量的恒星在演化晚期通过核坍缩形成的,而在他们当中又有那么一小撮特别的吸引天体物理学家的目光,这类被称为SNIc-BL的超新星光谱中显示出了很宽的吸收线(Broad Line)特征,意味着爆发产生的包层的膨胀速度非常的快;之所以说它吸引人是因为在大质量核坍缩超新星被认为和长伽马暴(GRB)之间有物理的联系,而且根据目前的长暴模型,最可能的前身星就是能形成SNIc超新星的大质量恒星,不过这个图像并没有那么的简单,因为并不是所有的SNIc都和已知的GRB有联系,而且也不是所有的SNIc都显示出了和GRB有关的相对论性外流的证据(小于1/3),这就意味着需要一定的物理参数来把能产生GRB的SNIc暴发区分出来。

在各种被讨论的物理参数中,前身星的金属丰度是一个很受关注的因素,因为在目前的GRB长暴模型中有一个金属丰度的临界值,只有在0.3倍太阳丰度以上的前身星中,才能通过金属吸收线“驱动”的恒星星风损失角动量,在暴发后避免形成一个快速旋转的致密遗迹而是以相对论性喷流的方式产生GRB;而SNIc超新星缺乏H线,Si线,He线的特征意味着恒星的包层在暴发之前已经被剥离的很干净了,如果依赖的是恒星辐射产生的星风,则需要高的多金属丰度,接近太阳的金属丰度,联合起来考虑的化似乎意味着相对低金属丰度的环境更适合GRB的产生;除去星风损失,在相接的双星系统中通过潮汐作用下的Roche瓣溢流也可以完成包层的损失,但即便在双星系统中,根据预测也是在低金属丰度环境下更容易产生GRB。的确,从观测上看,和超新星有联系的GRB多发现在低金属丰度(<0.5Z_{\odot})的矮星系中,而不与GRB成协的SNIc-BL确实多发现在太阳丰度甚至更高金属丰度的环境中,基于这样的观测,有人提出,GRB-SNe的成协有一个物理上的金属丰度的界限,在这个丰度以下,才能看到SNIc和GRB的物理联系。


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图一:Pan-STARR对2010ay的观测结果,左边是暴发前的图像,中间的是暴发后的,两张图像做图像扣除之后,超新星很明显的显示了出来

这样的一个图像显然是过于简单的,不仅在于对GRB和SNIc的巡天观测是在完全不同的波段,使用不同的策略,也是因为从观测上看,已经发现了暴发在高金属丰度环境中的GRB;并且,在没有直接GRB成协观测证据的SNIc-BL中已经观测到了非常高的射电光度,考虑到可能的辐射机制,很可能意味着和GRB中的相对论性喷流一样的外流,而且这样的超新星产生的遗迹也显示出了比较高的金属丰度;此外,在HST的图像中寻找临近SNIc的前身星的努力没有产生很好的结果,似乎意味着前身星的质量并没有想象的那么高,在双星系统中10-20太阳质量的恒星产生SNIc暴发的模型也变得更加流行起来。根据这样的模型,SNIc的产生不再特别的依赖于金属丰度,因此找到低金属丰度环境中的SNIc,研究其性质对了解SNIc暴发机制和超新星-GRB之间的物理联系有很大的意义。

本文讨论的就是一颗在Catalina Realitime Transient Survey中发现的低金属丰度环境中的SNIc-BL超新星暴发:2010ay;本文很具体的讨论了这颗超新星的性质,以及后续的多波段和光谱观测结果,下面我们简单的总结一下文章的主要结论。


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图二:2010ay在暴发14天和24天之后的光谱对比,分别来自Gemini和WHT的观测,图中同时还比较了两个与GRB成协的超新星的光谱;在下图,展示了宿主星系的发射线光谱,星系的ISM金属丰度就是通过这些发射线的流量比和光致电离模型比较的到的

主要结论

本文的数据分析和讨论非常的仔细,我们不可能全部介绍清楚,不过简单的说,利用多波段的光变曲线,不同时间拍摄的光谱,以及射电的多时段观测数据,并且和与GRB成协的SN-Ic的相关的观测比较,说明了在低金属丰度的环境中形成的包层快速膨胀的SNIc-BL超新星并不一定产生相对论性喷流。与开始提到的高金属丰度环境中的长GRB发现结合起来,似乎意味着前身星的金属丰度并不是把GRB和一般的SNIc等大质量恒星的坍缩暴发过程区分开来。


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图三:利用光谱观测的到的不同超新星的包层膨胀速度的时间演化关系,图中蓝色的是和长GRB有联系的超新星,红色的是不和GRB联系的SNIc-BL超新星。

简单的总结一下,本文有如下主要的结论:

  • 1.利用Pan-STARR的观测,把2010ay的早期暴发的光变曲线确定的很好,在这个时间段内都没有找到任何与之成协的GRB;并且,通过峰值光度拟合,作者发现这颗SNIc有着非常高的光学波段光度,结合一定的模型对超新星暴发产生的放射性Ni同位素的质量进行估计,远远的高于所有已知的和GRB有联系的超新星。
  • 2. 对宿主星系的光谱观测显示出了比较低的金属丰度,0.3Z_{\odot}的丰度和一般的GRB-SNe得到的丰度很相近。
  • 3. 在金属丰度和暴发后包层膨胀速度的演化上,2010ay和另外一颗与GRB成协的SNIc,2010bh非常相似。
  • 4. 利用EVLA进行的详尽的射电观测没有在暴发晚期看到明显的射电辐射,一系列的分析显示这基本意味着2010ay没有产生和GRB有关的相对论性喷流。

  • fig1

    图四:无超新星相关的SNIc-BL和GRB相关的SN在宿主星系的ISM金属丰度和暴发后10-30天的包层膨胀速度之间的关系,可以看到2010ay和2010bh的分布非常接近,此外,这两类超新星在这两个性质上很难做到明确的区分。

    延伸阅读:

    1. 发现这颗超新星的Catalina Sky Survey
    2. 找到的一个关于SN分类和与GRB联系的比较直观的介绍

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