gamma$rays(from(sn2014j - max planck · pdf fileand!!(1.91!±0.67) !104!phcm 2 s 1 (812...

38
GammaRays from SN2014J Measuring the 56 Ni decay chain Roland Diehl (MPE Garching, Germany) with Mar:n Krause, Thomas Siegert, Jochen Greiner, Xiaoling Zhang (MPE) Wolfgang Hillebrandt, Markus Kromer, Stuart Sim, Stefan Taubenberger…

Upload: hoangthuan

Post on 06-Feb-2018

215 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Gamma-­‐Rays  from  SN2014J  

 Measuring  the  56Ni  decay  chain  

               

   

Roland  Diehl  (MPE  Garching,  Germany)    with  Mar:n  Krause,  Thomas  Siegert,  Jochen  Greiner,  Xiaoling  Zhang  (MPE)  Wolfgang  Hillebrandt,  Markus  Kromer,  Stuart  Sim,  Stefan  Taubenberger…    

»  Clayton,  Colgate,  &  Fishman  1969  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  

Gamma-­‐Ray  Lines  from  SNIa  

Roland  Diehl   2  

SN  Ia  γ-­‐ray  observa:ons:  a  science  goal  for  INTEGRAL  since  its  design  •  A  “ToO”  Proposal  has  been  in  place  every  year:  

–  Jordi  Isern  et  al.:          If  1  Mpc  <  d  <  8  Mpc  and  mB>9.5:  1+1  Ms    à  observa:ons  proposed:  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   3  

ESA  mission  Launch  2002    

Expected  rate:  >1/5years  

The  first  best  opportunity  (l+9y):    SN2011fe  •  4  Ms  of  observing  :me  

•  Upper  limit  (Isern+  2013)                                                  à  –  From  ‘early’  observaCons  only,  model  spectra  fiGng  –  “SPI  detecCons  unlikely  even  for  close  SN  

unless  lines  are  “narrow””  –  IBIS  appears  the  more  sensiCve  instrument  for  broad  lines  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   4  

“late”  (unpublished)  

“early”  (Isern+2013)  

SN2014J  •  In  M82    

(Starburst  Galaxy)  •  Discovered  22  Jan  2014        Cao  et  al.  ATel  #  5786  

•  Likely  Explosion  Date:      14  Jan  2014  (14.75    +/-­‐0.3d)  

•  Distance  3.3….3.53  Mpc,                        l=141.41o,  b=40.56o  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   5  

SN2014J:  a  Unique  Opportunity  for  INTEGRAL  

Observa:ons:    31  Jan  –  26  Jun  (w  gaps,  but  7.1  Ms  total),  days  17-­‐139  aner  explosion  

•  Exclude  Early        (He-­‐cap)  Models?  

•  Detect  56Co  γ-­‐rays        and  Discriminate        Among  Models?  

SPI  Narrow  line  1  Ms  

SPI  dE~25  keV,  3  Ms  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   6  

56Ni  Radioac:vity  Decay  Chain  and  Gamma-­‐Rays  

•     

56Ni

56Fe

e--capture (98%)

γ 750 keV (50%)

τ =8.8 d

56Co

γ 847 keV (100%)

τ = 111.3 d

γ 812 keV (86%)

0+

1+

2+

4+

2+

0+

4+

γ 1238 keV (68%)

e- - capture (81%) γ 158 keV (100%)

3+

0+ γ 270+480 keV (36%)

3,4+ β+ - decay (19%,E~0.6MeV)

γ’s 3.253(8%),2.598(17%), 1.038(14%), 1.4,1.771(16%) MeV

γ-­‐rays:  ~50…100  days  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   7  

SN2014J  data  Jan  –  Jun  2014:  56Co  lines  – Detec:on  of    847  and  1238  keV  lines  from  56Co  decay    at  days  50-­‐100  

 –  Confirm  SN  Ia  model  

– M56Ni  es:mated  from  56Co  line  flux  with  escape.=  0.6  à    0.61±0.13  M¤  

 –  Significantly  Doppler-­‐broadened  

•  Churazov  et  al.,  Nat,  2014  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   8  

Churazov  et  al.  2014  

The  Challenge  of  Finding  SN2014J  Gamma-­‐Rays  –  Current  Gamma-­‐Ray  Telescopes  Have  Large  Intrinsic  Background  

•  Cosmic  Ray  Ac:va:on  of  Spacecran  and  Instrument  

expected signal from SN2014J

typical background intensity

from Churazov et al., 2014 Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   9  

INTEGRAL  Cosmic  Photon  Measurements:  The  SPI  Ge  γ-­‐Spectrometer  

Coded-­‐Mask  Telescope    Energy  Range  15-­‐8000  keV  Energy  Resolu:on  ~2.2  keV  @  662  keV  Spa:al  Precision  2.6o  /  ~2  arcmin  Field-­‐of-­‐View  16x16o  

Coded  Mask  Telescope:  Cas:ng  a  Shadow  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   10  

SPI  data  analysis  for  line  spectroscopy  –  Background  modeling  from  detailed  mission  data  spectroscopy  à  exploit  physics  of  lines  à  consistent  high-­‐resolu:on  model  

•  Integrate  data  over  3  days  •  Fit  spectra  in  detail  (con:nuum,  lines,  steps…)  •  Fix  spectral-­‐shape  and  detector  ra:o  parameters                                                      (ßphysics!)  •  Normalize  the  spectral-­‐feature  template  per  poin:ng,        and  apply  individual-­‐detector  responses                                    (degradaCon  &  annealing!)  

One  3-­‐day  orbit,  one  detector   One  1/2h  poin:ng,  one  detector  

T Siegert, master thesis TUM (2013)

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   11  

SPI  data  analysis  for  line  spectroscopy  –  Background  modeling  from  detailed  mission  data  spectroscopy  à  exploit  physics  of  lines  à  consistent  high-­‐resolu:on  model  

•  Integrate  data  over  3  days  •  Fit  spectra  in  detail  (con:nuum,  lines,  steps…)  •  Fix  spectral-­‐shape  and  detector  ra:o  parameters                                                      (ßphysics!)  •  Normalize  the  spectral-­‐feature  template  per  poin:ng,        and  apply  individual-­‐detector  responses                                    (degradaCon  &  annealing!)  

One  3-­‐day  orbit,  one  detector   One  1/2h  poin:ng,  one  detector  

T Siegert, master thesis TUM (2013)

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   12  

26Al  line  studies  •  Sky  and  background  are  clearly  separated  

»  using  Single  Events  (No  contamina:on;  The  SPI  response  is  only  well  established  for  SE,  not  PE)  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  

preliminary,  MPE  Jan  2016  

Roland  Diehl   13  

SN2014J:  Early  56Ni  •  Gamma-­‐ray  spectra  from  the  SN  posi:on  à  

 –  Clear  detec:ons  of  the  two  strongest  lines  expected  from  56Ni  with  the  INTEGRAL  Spectrometer  ‘SPI’  

158  keV   812  keV  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   14  

•  INTEGRAL  Obs  from  31  Jan  :ll  26  Jun  2014  

Longterm  Data:  Broad  Lines  from  56Co!  

847 keV

MPE INTEGRAL Team

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   15  

Towards  publishing  INTEGRAL  results  •  SN  event  and  ToO  discussion  late  Jan  2014  •  Agreement:  SNIa  ToO  proposal  PI  Isern  =  study  coordinator  •  Feb…Apr:  Discussions  &  shared  quicklook  towards  Co  lines  

•  Isern  in  a  difficult  posi:on  as  a  theorist;  analysis  in  Garching,Toulouse,  Paris  •  RD  report  on  early  Ni  lines  broadly  circulated  10  March  à  no  comments!  •  Atel    Churazov  et  al.  released  25  Mar:    "SN2014J  Co  line  detec:on”  •     

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   16  

Team-­‐internal  report  

SPI  narrow  lines  from  56Ni  à  SPI-­‐only  result,  publish  as  well  

Discussion  w  E.  Churazov  20  Mar:  “no  comment”  

Discussions  at  NuclAstro2014/Ringberg  (Isern,  Diehl,  Hillebrandt,  Siegert,…)  

INTEGRAL/SPI  Analysis  for  early  56Ni  gamma-­‐rays  

•  56Ni-­‐decay  gamma-­‐rays  from  SN2014J!  •  Excess  signal  in  158  and  812  keV  lines,  ~3σ  

158  keV  

812  keV  

SPI/INTEGRAL  158  &  812  keV  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   17  

SN2014J:  Early  56Ni  •  Imaging  in  line  bands,  and  in  adjacent  bands:    

–  Line  emission  from  SN2014J  more  plausible  than  noise  /  chance  coincidence  

158  keV  

812  keV  

161-­‐171  keV  

814-­‐824  keV  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   18  

Line  Uncertain:es:  Search  and  method  biases  •  Random  Search:  Try  to  Fit  a  Line  

(Centroid,Intensity,  Width)  

158  keV  

¶ Depending  on  resolu:on    of  the  analysis  method,    and  on  fi�ng  approach,    results  may  differ  

F Narrow  line,  ~unshined  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   19  

Early  56Ni  Gamma-­‐Rays:  τ=8.8d  •     

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   20  

SN2014J:  Early  56Ni  •  Gamma-­‐ray  spectra  from  the  SN  posi:on  à  

–  Intensi:es:        (1.14  ±0.43)  10-­‐4  ph  cm-­‐2  s-­‐1  (158  keV  line)    and    (1.91  ±0.67)  10-­‐4  ph  cm-­‐2  s-­‐1  (812  keV  line)  

–  56Ni  mass  es:mate  (backscaled  to  explosion):  ~0.06  M¤    

158  keV   812  keV  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   21  

SN2014J:  An  unusual  explosion?  •     

con:nuum  near  812  keV  

Simulating how an exploding belt of accreted He would be observed in gamma-rays: Polar viewing à unshifted lines Equatorial viewing à blue shift

W7 model

He belt model

polar view equatorial view

A belt of He accreted from the companion star à He explosion, triggering the SNIa explosion of the CO white dwarf (M<Mch)

Markus Kromer

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   22  

First  INTEGRAL  Papers  on  SN2014J  •  SN  event  and  ToO  discussion  late  Jan  2014  •  Agreement:  SNIa  ToO  proposal  PI  Isern  =  study  coordinator  •  Feb…Apr:  Discussions  &  shared  quicklook  towards  Co  lines  

•  Isern  in  a  difficult  posi:on  as  a  theorist;  analysis  in  Garching,Toulouse,  Paris  •  RD  report  on  early  Ni  lines  broadly  circulated  10  March  à  no  comments!  •  Atel    Churazov  et  al.  released  25  Mar:    "SN2014J  Co  line  detec:on"  •  2  Papers  accepted  in  'Science'  and  'Nature';  ESA  PR  "coordinated"      

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   23  

Another  analysis  of  SN2014J  SPI  data…  

•  Isern  et  al,  dran/arxiv  2016  Broad-­‐bin  analysis,    convolving  SN  Ia  model  spectra  (i.e.  model  dependent)  

à  find  a  broad  line  😉  Hi-­‐res  analysis  shows  sub-­‐structure  

 158  keV  line      plus  red/blue-­‐shined  158  keV??  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   24  

Another  analysis  of  SN2014J  SPI  data…  

•  Isern  et  al,  dran/arxiv  2016  Broad-­‐bin  analysis,    convolving  SN  Ia  model  spectra  (i.e.  model  dependent)  

à  find  a  broad  line  😉  Hi-­‐res  analysis  shows  sub-­‐structure  

 158  keV  line      plus  red/blue-­‐shined  158  keV??  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   25  

Line  Uncertain:es:  Search  and  method  biases  •  Random  Search:  Try  to  Fit  a  Line  

(Centroid,Intensity,  Width)  

158  keV  

¶ Depending  on  resolu:on    of  the  analysis  method,    and  on  fi�ng  approach,    results  may  differ  

F Narrow  line,  ~unshined  ?  or  ?  F Broad  &  redshined  line  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   26  

Line  Uncertain:es:  Search  and  method  biases  •  Random  Search:  Try  to  Fit  a  Line  

(Centroid,Intensity,  Width)  

158  keV  

¶ Depending  on  resolu:on    of  the  analysis  method,    and  on  fi�ng  approach,    results  may  differ  

F Narrow  line,  ~unshined,      is  most  likely      (from  data  analysis  alone;  no  model)  

F Underlying  broad  line      cannot  be  excluded  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   27  

SN2014J:  An  unusual  explosion?  •  SN2014J  had  significant  56Ni  near  the  surface      

A belt of He accreted from the companion star à He explosion, triggering the SNIa explosion of the CO white dwarf (M<Mch)

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  

Possible geometries of outer 56Ni:

Diehl+,  Science  (2014)  Isern+,  arxiv  (2016)  Roland  Diehl   28  

•  INTEGRAL  Obs  from  31  Jan  :ll  26  Jun  2014  

Longterm  Data:  Broad  Lines  from  56Co!  

847 keV

MPE INTEGRAL Team

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   29  

SN2014J  data  Jan  –  Jun  2014:  56Co  lines  –  The  847  keV  line  from  56Co  decay  – Different  spectral  binning  

à  Structured  spectrum  –  all  from  the  broadened  847  keV  line?  •  Diehl  et  al.  2015  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   30  

SN2014J  data  Jan  –  Jun  2014:  56Co  lines  The  56Co  decay  lines  Different  spectral  binning  Different  epochs  

à        –  Structured  and  evolving  spectrum  à  all  from  broadened    56Co  decay  lines?  

– Non-­‐radial  mo:ons,  or    sightlines  w  varying  depths??  

•  Diehl  et  al.,  A&A  (2015)  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   31  

SN2014J  data  Jan  –  Jun  2014:  56Co  lines  –  Brightness  evolu:on  of  the    56Co  decay  lines    à    

–  Consistent  brightness    evolu:on  of  both  lines    

•  Ra:o  ~0.62  +/-­‐0.28  (0.68)  –  Plausible  kinema:cs  

–  ~Consistent  with    many  plausible  models  

–  Choice  of  spectral    “line  emission”  assignments  may  affect  details  

 

“847 keV”

“1238 keV”

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   32  

Determining  the  56Ni  mass  – Fi�ng  :me  histories  of  line  emission  from  models  to  data  

–  1D  models  for  SN2014J    (The  &  Burrows’14)  –  Three  alterna:ves  to  determine  a  “56Co  line  flux”  

•  0.49  ±  0.09  M¤  of  56Ni  (averaging  among  three  best  models)  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   33  

SN2014J  data  Jan  –  Jun  2014:  847  keV  56Co  line  

   à  Irregular            brightness            evolu:on  

à Compare      high/low  res  data    to  models  

           56Ni  mass  (fi�ed)  =  0.49  ±0.09  M¤ �

(cmp  from  bol.  Light  à    0.42  ±0.05  M¤  Diehl  et  al.  A&A  2015  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   34  

 Gamma-­‐Rays  from  a  Supernova  Ia:    SN2014J              

         

         

   

•  First  direct  detec:on  of  56Ni  decay  in  a  SNIa  

•  Structured  56Co  gamma-­‐ray  emission  à  ‘clumpy’  SN?  

Line  Search  •  Random  Search:  Try  to  Fit  a  Line  (Centroid,Intensity,  Width)  

158  keV   812  keV  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   62  

Line  Shape  Analysis  •  Velocity  Constraints  from  56Ni  lines  

•  Lines  are  not  significantly  Doppler-­‐Shined  •  Lines  are  not  or  only  modestly  broadened  •  Underlying  broader  (>30  keV)  line  components  possible  

Significance FWHM (158 keV line) [km/s (keV)]

FWHM (812 keV line) [km/s (keV)]

Bulk Shift (158 keV line) [km/s (keV)]

Bulk Shift (812 keV line) [km/s (keV)]

Best Fit 0 (1.77) 0 (2.33) +2000 (1.05) 0

1 σ 2400 (2.1) 600 (2.8) <2100 (1.1) 0

2 σ 6100 (3.7) 1400 (4.4) <2150 (1.1) <100 (0.3)

3 σ ∞ 32500 (95.4) <8250 (4.4) <2400 (6.5)

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   63  

NIR  spectra:  Co  ionisa:on  states  Co  II  and  Co  III  •     Co  III  line  does  not  fade  as  quicky  as  models  predict  

»  SOFIA  observa:ons;  Vacca+  2015  

Nuclear  Astrophysics  at  Ringberg  2016  Roland  Diehl   70