Infrared Supernova Remnants in the Large Magellanic Cloud

Abstract

초신성 잔해는 초신성 충격파에 의한 성간물질의 물리적, 화학적 진화를 연구할 수 있는 특별한 장소이다. 특히, 충격파에 의한 성간 먼지의 공정(processing)은 초신성 잔해를 적외선 파장영역에서 관측함으로써 직접적으로 조사할 수 있다. 이 논문에서는 아카리(AKARI)와 스피쳐(Spitzer) 적외선 우주 망원경으로 수행된 대마젤란운의 관측 자료를 이용하여 근적외선부터 중적외선 파장대의 초신성 잔해 연구를 수행하였다. 우리은하와 비해 대마젤란운은 적외선 성간 소광이 적기 때문에 초신성 잔해로부터 나오는 적외선 방출을 연구하는데 매우 큰 이점을 지니고 있다. 본 연구에서는 지금까지 알려진 45개의 대마젤란운 초신성 잔해에 대하여 이들의 아카리와 스피쳐 영상들을 체계적으로 조사한 결과, 28개의 초신성 잔해로부터 식별각능한 적외선 방출을 확인할 수 있었다. 이 중, 13개의 초신성 잔해는 이 연구에 의해 처음으로 적외선 파장대에서 확인되었다. 후속 연구를 위하여 28개의 초신성 잔해들에 대한 플럭스를 측정하여 그 결과를 일반적인 정보들과 더불어 카탈로그로 정리하였다. 적외선 플럭스들 사이의 상관 관계와 적외선 색(color)을 이용하여 초신성 잔해에서 관측된 적외선 방출의 기원에 대하여 살펴보았다. 관측된 상관관계나 적외선 색이 적외선 방출의 기원을 제안해 줄 수는 있으나 보다 직접적인 근거로 지배적인 적외선 방출 기작을 확인할 필요가 있음을 알 수 있었다. 또한, 엑스레이(X-ray)나 전파 영역에서의 방출과 적외선 방출을 비교하여 그들 사이에도 상관관계가 있음이 확인되었다. 스피쳐 24/70 플럭스비와 플라즈마의 물리량(가스 온도나 밀도) 사이의 좋은 상관관계는 성간 먼지의 가열과 냉각 과정에 대한 기존의 이론을 직접적으로 검증할 수 있었다. 전파에서의 밝기에 비해 상대적으로 적외선 밝기가 약한 초신성 잔해들을 새로이 발견할 수 있었는데, 이것은 은하에서의 전체 적외선 광도에 초신성 잔해가 기여하는 정도가 적음을 암시한다. 우리은하 초신성 잔해의 적외선 탐지 비율(detection rate)과 비교하여 대마젤란운 초신성 잔해의 적외선 탐지 비율은 현저히 높은데, 이는 낮은 성간 소광이 주된 원인일 것으로 여겨진다. 본 연구는 충격파에 의한 공정과 초신성 잔해의 진화를 바르게 이해하는데 중요한 역할을 하는, 초신성 잔해들의 적외선 방출 기작에 대해 토의하였다. 이와 더불어, 아카리 우주망원경으로 근적외선 분광관측을 이용하여 대마젤란운에 위치한 초신성 잔해 N49에 대한 상세한 연구를 수행하였다.관측은 적외선에서 밝은 N49의 동쪽 영역 대부분을 포함하는 방식(coarse mapping 방식)으로 이루어졌으며,이를 이용하여 다양한 선방출들의 분포를 비교하여 그들 사이의 상관관계를 조사할 수 있었다. 이 초신성 잔해 내부에서 3.3 마이크론의 방향족 피쳐(aromatic feature)을 확인할 수 있었으며, 이는 초신성 잔해와 연관된 3.3 마이크론의 방향족 피쳐을 보고하는 최초의 사례이다. 수소 분자 1-0 O(3) 천이 방출선과 3.3 마이크론 방향족 방출선, 브래킷 알파선(Brα)의 방출선 지도들로 부터, 3.3 마이크론 방향족 피쳐의 분포가 다른 방출선들의 분포와 전반적으로 유사하며, 한편으로 국부적인 차이점도 확인할 수 있었다. 이러한 지역적 차이는 그 지역들의 물리적 조건들을 반영하고 있다고 생각된다. 다른 파장대에서의 아카이브 관측 이미지들을 이용하여 비교한 결과, 방향족 방출이 이온화된 기체나 분자 기체들과 연관되어 있음을 재확인할 수 있었다. N49의 스피쳐 아카이브 자료를 이용하여 3.3 마이크론 방향족 피쳐와 관련된 다른 다환성 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon) 피쳐를 6.2, 7.7, 그리고 11.3 마이크론에서도 찾을 수 있었다. 이 다환성 방향족 탄화수소 밴드들의 세기비를 바탕으로, 이 초신성 잔해 내의 다환성 방향족 탄화수소들이 대체적으로 중성을 띄고 있으며 크기가 작다는 사실을 확인하였다. N49에서 관측된 이 다환성 방향족 탄화수소 방출의 기원을 토의해 본 결과, 이 방출이 충격파를 겪고 살아남았거나 충격파가 도달하지 않은 지역에서 복사 전조에 의해 가열된 다환성 방향족 탄화수소들에 의해 발생할 수 있을 것으로 여겨진다.

Supernova remnants (SNRs) are unique places where we can study the physical and chemical evolution of the interstellar medium by SN shocks. In particular, dust processing by shocks can be directly investigated by observing SNRs in infrared (IR) wavebands. I present the near- to mid-IR (NIR/MIR) study of SNRs using the AKARI and Spitzer data of the Large Magellanic Cloud (LMC). The LMC has a great advantage to study IR emission from SNRs thanks to its low IR confusion compared to the Milky Way. I systematically examine both the AKARI and Spitzer images of all known 45 LMC SNRs and could identify 28 SNRs with distinguishable IR emission in total. 13 SNRs are firstly identified in several IR bands by this study. Measured fluxes as well as general information are listed in catalogs for further studies. Using IR flux correlations as well as IR colors, the origins of IR emission from SNRs are examined. Even if the correlations or the IR colors can suggest the origins, however, more direct evidence is required to confirm the dominant emission mechanism. The IR emission is compared with X-ray and radio, and correlations are found among the emissions. Good correlation between the Spitzer 24/70 ratios and plasma properties (gas temperature and density) can verify the dust heating and cooling physics. IR faint LMC SNRs relative to their radio brightnesses are newly found, which indicates that the contribution of SNRs might be small to the total IR luminosity of galaxies. The high detection rate of IR SNRs in the LMC is remarkable compared to that of Galactic SNRs, and the low IR confusion is thought to be a primary reason for it. I discuss the origin of IR emission for all detected SNRs, which is important for correct understanding of shock processing and evolution of SNRs. I also carried out a detailed study of SNR N49 in the LMC with the NIR (2.5−5 μm) spectroscopic observations performed by AKARI. The observations were performed as a coarse spectral mapping to cover most of the bright region in the east, which enables me to compare the distribution of various line emissions and to examine their correlation. I detect the 3.3 μm aromatic feature in the remnant, which is for the first time to report the presence of the 3.3 μm aromatic feature related to a SNR. In the line maps of H2 1-0 O(3), 3.3 μm feature, and Brα, the distribution of the aromatic feature shows overall correlation with those of other emissions together with regional differences reflecting the local physical conditions. By comparison with other archival imaging data at different wavelengths, the association of the aromatic emission to other ionic/molecular emission is clarified. I examine archival Spitzer IRS data of N49 and find signatures of other polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)features at 6.2, 7.7, and 11.3 μm corresponding to the 3.3 μm aromatic feature. Based on the band ratios of PAHs, I find that PAHs in N49 are not only dominantly neutral but also small in size. I discuss the origin of the PAH emission in N49 and conclude that the emission is either from PAHs that have survived the shock or PAHs in the preshock gas heated by radiative precursor.