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超新星观测和研究

   . 研究背景

   . BATC组在超新星方面已做的工作

1.  SN 1993J 

2 SN 1994D

    . BATC组正在开展以及计划开展的超新星研究课题

               1近星系亮超新星的多色测光 

               2 在星系团中寻找超新星

 

. 研究背景

 超新星处于许多不同天文学研究分支的交汇处。超新星作为许多种恒星生命的最后归宿,可用于检验当前的恒星演化理论。在爆炸瞬间以及在爆炸后观测到的现象涉及各种物理机制,例如中微子和引力波发射、燃烧传播及爆炸核合成、放射性衰变及激波同星周物质的作用等。而爆炸的遗迹如中子星或黑洞、膨胀气体云起到加热星际介质的作用。

 

 超新星在产生宇宙中的重元素方面扮演着重要角色。大爆炸只产生了氢、氦以及少量的锂。 红巨星阶段的核聚变产生了各种中等质量元素(重于碳但轻于铁)。而重于铁的元素几乎都是在超新星爆炸时合成的,它们以很高的速度被抛向星际空间。此外,超新星还是星系化学演化的主要“代言人”。在早期星系演化中,超新星起了重要的反馈作用。星系物质丢失以及恒星形成等可能与超新星密切相关。

 

由于非常亮,超新星也被用来确定距离。将距离同超新星母星系的膨胀速度结合起来就可以确定哈勃常数以及宇宙的年龄。在这方面,Ia型超新星已被证明是强有力的距离指示器。最初是通过标准烛光的假定,后来是利用光变曲线形状等参数来标定化峰值光度。作为室女团以外最好的距离指示器,其校准后的峰值光度弥散仅为8%,并且能延伸到V> 30,000 km s-1的距离处。Ia 超新星的哈勃图(更确切地说是星等-红移关系)现在成为研究宇宙膨胀历史的最强有力的工具:其线性部分用于确定哈勃常数;弯曲部分可以研究膨胀的演化,如加速,甚至构成宇宙的不同物质及能量组分。利用Ia超新星可用作“标准烛光”的性质还可研究其母星系的本动。高红移Ia 超新星的光变曲线还可用于检验宇宙膨胀理论。可以预计由于宇宙膨胀而引起的时间膨胀效应将会表现在高红移超新星光变曲线上。 观测数据表明红移z处的Ia 超新星光变曲线宽度为z= 0处的 (1+z) 倍,这为膨胀宇宙理论提供了又一个有力的支持。某些II型超新星也可用于确定距离。II-P型超新星在平台阶段抛射物的膨胀速度与它们的热光度存在相关,这也用来进行距离测定。经上述相关改正后,原来II-P型超新星V波段的~1星等的弥散可降到~0.3 星等的水平,这提供了另一种测独立于SN Ia的测定距离的手段。此外,II型超新星的射电发射也似乎具有可定量的性质,如6cm的光变曲线峰与爆炸后6cm峰出现的时间存在相关,这也可用来进行距离估计。

 

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. BATC组在超新星方面已做的工作

1.  SN 1993J 

1.1早期的UBVRI测光

 

        SN1993J 爆发后的~20天,BATC组利用60/90cm施密特望远镜对SN 1993J进行了较长时间的UBVRI五个波段的测光观测。相应的光变曲线由周旭等人发表在天体物理学报(1993年, Vol 13, 3)以及IAUC快报上。     

   

1.2 晚期的14个颜色的中带测光

 

    一般对SN 1993J的光学观测仅限于爆发后的1000天以前,之后的数据基本属于空白,而且观测大多是在UVB等几个波段进行的。自SN 1993J爆发以来, BATC在多色巡天过程中一直保持着对M81SN 1993J的星系)所在天区T528BATC编号)进行多个颜色的观测。BATC数据库中有342T528天区的图像,它们包含了14个滤波片、时间跨度长达6年的SN 1993J的测光数据。对详细探讨大质量恒星塌缩的超新星爆发机制有重要意义。

       这些数据的初步分析结果由研究生张天萌给出。从他得到的多色的光变曲线图(见图5)可看出:在SN 1993J爆发进入第一次光极大后,存在一个迅速的下降阶段,这可能是由于膨胀光球开始冷却造成的。~10天后光度下降停止并在爆发后~21天达到第二次极大。此后,光变曲线保持一个持续缓慢下降的过程。但几个透过率较高波段(如i, j,f)的数据似乎显示,SN 1993J~500天又出现了一次光极大。而ROSAT的数据显示在500天左右,SN 1993JX射线强度处于极小后的上升阶段。在SN 1993J爆发后~500天左右的观测现象仍有待解释。此后一直到1500天左右,光度再次缓慢下降;而1500天后,光度下降几乎为零甚至于到2300天左右又看到有增加的趋势。其中的物理机理仍有待深入研究。对SN 1993J晚期多色测光数据的详细分析目前仍在进行之中。

5  SN 1993J晚期光变曲线(BATCi-6660A, j-7050A)。

2. SN 1994D

   SN 1994D爆发在S0星系NGC 4526中,光谱显示它是一颗典型的Ia型超新星。BATC组用60/90cm施米特望远镜对SN 1994D进行了17个晚上的UBVRI测光观测(从1994311日到199444日),光变曲线包括了光极大阶段(文章发表在A&A Letter 上,作者为吴宏、严灏景及邹振隆)。

    在对SN进行测光处理时,吴等采用了巧妙的方法克服了困难。通常的方法是孔径测光或点扩散函数。由于BATC望远镜系统的分辨率在1.7角秒/pixel,因此获得合适的点扩散函数并不容易。而进行孔径测光也有难度,这是因为这颗超新星非常靠近其母星系核心。星系消光光对超新星背景光的确定有严重影响。从NGC4526图像中,吴宏等认为该星系像沿着副轴高度对称。利用这一点,他们将该星系像沿副轴分为两部分,一部分包含超新星而另一部分则不包含。表面测光表明这两部分是高度对称的,这证实了他们的这种做法是合理的。随后的测光处理如下:只将不包含超新星的半个星系留下并将其严格镜反射到副轴的另一侧,这样就构造出了一个完整的星系像。用包含超新星的真星系像减掉构造的星系像便只留下超新星的像,这样就可以进行精确进行孔径测光。图6显示了SN 1994D的早期的光变曲线。图中实点代表了吴宏等得到了的测光结果,空心点则代表了其他作者的测量结果。由于在光极大附件有大量的观测点,因此很容易得出SN 1994D的极大视星等为11.86 ±0.05 magB波段),15天光变曲线下降率为1.23±0.05 mag,这与国外各天文台的测量结果是一致的。这表明BATC测光系统与标准测光系统十分接近。

    6. SN 1994D UBVRI光变曲线。实点代表BATC(吴宏等 1995)的测量结果,空心点则为别人的结果。图中星等的尺度是根据V波段,U,B,RI波段则分别移动了+2 +1 -1 -2 mag

 

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. BATC组正在开展以及计划开展的超新星研究课题

   随着近几年随着国际上众多大口径望远镜的加入,小口径、小视场望远镜在超新星巡天方面的竞争力逐渐丧失。近两年国内60cm发现的超新星数目较之以前有明显下降,而系统的测光工作也是缺乏的。我们觉得的国内超新星的观测工作重点应转向亮超新星的测光观测。国外的超新星测光工作开展很早,但仅限于UBVRI个颜色。多个颜色的中带测光系统是BATC组开展这一课题研究的优势:相对宽带系统,15个颜色的中带滤波片能给出更详细的能量分布信息。

 

1近星系亮超新星的多色测光 

1.1 观测计划及科学目标

我们计划选15颗亮的超新星(主要是Ia型的超新星),利用60/90cm望远镜的多色测光系统对其进行短期的多色测光观测,以期获得一批超新星在光极大附近的多个颜色的中带光变曲线数据。滤波片的选择主要依据不同类型超新星的特征谱线,即尽量使得所选的滤波片落在特征谱线上。如对Ia型超新星,我们选的滤波片为j,h(落在SiII的强吸收线上),i 以及m, n(落在Ca II的红外三重线处)。首先,通过研究这些特征线的相对强度变化(与连续谱比较),以期建立起它们同Ia超新星峰值光度的联系。从更为物理的角度检验引起Ia超新星光度变化的原因,力图对观测到的峰值光度——光变曲线形状的经验相关给出合理的解释。其次,多个颜色的测光有利于更准确判断超新星母星系的消光情况。而当前的消光研究仅限于两三个颜色,并且不同方法给出的估计有较大差异。在解决和澄清以上的问题后,我们将利用这些超新星的中波段测光系统定出的峰值光度构筑哈勃图,用于测定哈勃常数以及其它宇宙学目的的研究。这是当前宇宙学中最为热门的研究课题。 同时对某些特别亮的超新星(如亮于13 mag)进行10 - 15个颜色(400 nm 1 000 nm)的长周期观测,以期得到光谱能量分布(SED)演化特征(即粗分辨率的光谱演化)。超新星的SED数据将为研究不同波段光变曲线形状的差异(如Ia超新星IR波段光变曲线在极大后25天左右出现的二次极大)以及超新星爆发的前身星模型提供很好的研究资料。

 

对于II 型的超新星,我们主要对II-P型的超新星进行测光。 滤波片选定为 f,g,h 以及i。 利用平台阶段抛射物的膨胀速度同II-P型超新星光度的相关建立一种独立于Ia超新星距离测定的新方法。

 

1.2 观测进展

从今年9月3日开始我们就已经开始利用BATC多色测光系统监测超新星2002er。这是一颗光极大前被发现的亮超新星,目前对它的监测工作进展顺利, 已获得2.16望远镜的光谱资料。截至11月中旬我们的观测样本已经增加到了5颗,其中有一颗,SN 2002fk, 是今年发现的第二亮的超新星 (极大V星等~13.2 mag)。表1给出列入BATC观测计划的超新星。

 

SN name

  Host    

 Galaxy

    R.A.

   Decl.

Type

Peak magnitude(B)

 tmax

2002er

UGC 10743

17h11m29.88s

+07°59'44".8

Ia

   14.2 mag

9/9

2002gd

NGC 7537

23h14m37s.01

+04°30'05.7"

II

   16.4 mag

10/14

2002fk

NGC 1309

3h22m05s.71

-15°24'03".2

Ia

   13.2 mag

9/24

2002ha

NGC 6962

20h47m18s.58

+0°18'45".6

Ia

   14.5 mag

11/04

2002hh

NGC 6946

20h34m44s.29

+60°07'19".0

II

  <15.1 mag

11/22

2002ji

NGC 3655

11h22m53s.15

+16°35'10".0

Ib/c

   14.7 mag

11/11

 

2 在星系团中寻找超新星

当前国际上的超新星巡天主要集中在场星系,而星系团中的超新星搜寻似乎没有引起足够的重视。实际上大的星系团往往包含成百上千个成员星系,若按正常星系的超新星诞生率,象Coma团这样的大星系团每年会有不少超新星爆发。因此,用大视场望远镜对近的星系团(z<0.1)进行搜索,发现超新星的效率理应高于用小视场望远镜在场星系的发现机率。实际上,BATC组早在几年前就有这样的想法,但当时并没有开展起来。

 

开展星系团中超新星巡天的意义不仅仅在于发现,而且对于研究星系团环境中的超新星诞生率以及它们在团中的分布有显著意义。

 

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