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Bufano, Filomena (2009) The Ultraviolet View of Supernovae. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The emission in the ultraviolet domain contains precious information about the supernova (SN) explosion: it is highly sensitive to the metallicity of the SN ejecta; it gives indications on the SN progenitor structure and on how it exploded; UV photons are produced during the interaction with the SN circumstellar material, revealing the environment structure and thus the precursor pre-explosion activity.
For these reasons, the Thesis aims mainly to study the properties of SNe in the UV.
In particular, it is focused on the analysis of new observations collected with Swift and GALEX satellites, which improve our current poor knowledge of the properties of the different SN Types in this wavelength range.
Considering that the forthcoming high-redshift SN surveys will be conducted in the optical and IR ranges, which samples the UV rest-frame emission of the SN, the knowledge of the UV spectral evolution of the local SNe is essential to properly exploit the surveys outputs.
Despite the wide interest, to date the sample of SN spectroscopically observed in the UV is still small. With this Thesis we remarkably increased the number of SNe observed in the UV.
After a general overview on our current understanding of SNe and their UV emission, we will present for the first time the entire Swift archive of SN spectroscopic observations, obtained during the first two years of observations (2005--2006).
The Swift sample includes 9 SNe, specifically 6 SNe Type Ia (SNe 2005am, 2005cf, 2005df, 2005ke, 2005hk and 2006X), 2 Type II (SNe 2005cs and 2006bp) and 1 Type Ib/c (SN 2006jc), collecting 31 UV-grism and 22 V-grism spectra.
The limited S/N of the data has been improved by applying an optimized extraction technique and the offset in the zero point of the wavelength calibration removed through the comparison with quasi-simultaneous ground-based spectra. An important step toward the characterization of SNe in the Ultraviolet has been achieved with this work.
Indeed, with SN 2005cf, we obtained the best UV spectral follow-up to date for a Type Ia SN, with 7 UV spectra collected during the pre-maximum phases, which improves the past exceptional performance of IUE. In general, the UV spectra of SNe Ia, though to originate predominantly from reverse fluorescence in iron group ions present in the ejecta outermost layers, are found to be characterized mainly by two broad absorptions at about 3050 A and 3250 A [due to Fe, Co, Cr and Ti lines, Kirshner92A, sauer08].
A comparison of the Swift SN Ia spectra with those in literature of SNe 1992A and 1990N shows that SNe Ia with similar optical properties may have different UV behaviour.
SN 2006jc, the only Type Ib/c SN in our spectroscopic sample, shows two strong and broad UV emissions at ~2800-3000A, unusual at early epochs and that can be interpreted as a signature of the interaction between the SN ejecta and gas originally ejected by the stellar progenitor.
The UV spectra of both Type IIP SNe 2005cs and 2006bp are found to be shaped by blends of singly ionized iron-peak elements lines (mostly FeII, NiII) and MgII, yielding a line blanketing effect, which increases with decreasing temperature.
From the comparison of the first 2-years of \swift\ observations to the 15-year IUE activity on Sne, the large number of observations that Swift already collected stands out, as does its great flexibility and rapid reaction time that allow the prompt start of the observational campaigns after the SN discovery and its systematic follow-up.
In the second part of the Thesis, the analysis will be focused on the very interesting SN 2005ay, a Type II SN in NGC 3938 of the Plateau subclass. SN 2005ay has been the first target observed within a wide observational program for the multiwavelength study of CC SNe. We will present and analyze the UV spectra of SN 2005ay taken with GALEX (at 4 spectroscopic epochs), as well as the huge amount of spectroscopic and photometric data (107 Optical + 19 NIR photometric epochs and 20 optical spectra) obtained in the Optical-NIR range with 11 different ground-based telescopes. Such extended wavelength sampling, together with the detailed time follow-up, makes SN 2005ay a SN with one of the best coverages ever (after only SN 1987A).
For this reason SN 2005ay is going to become a "golden template", for Type II SNe, specifically for SN II-Plateau.
With this Thesis, we give a great contribution to the enlargement SN Type II Plateau sample. In fact, despite SNe IIP represent the largest fraction of SN II, only two objects in literature had sufficient data to describe their evolution: SNe 1999em and 1987A. Considering the very peculiar behaviour of the latter, adding SNe 2005ay and 2005cs we actually triple the number of typical SNe IIP observed in the UV with good quality data.
The comparative study of the SN IIP sample shows a remarkable similarity among these objects, which, if confirmed by additional SNe II-P, would indicate the cosmological use of II-P SNe as a promising prospect.
Finally, as last contribution of this Thesis we will compare the spectral energy distributions (in the range 2000-10000 A) of the main SN Types, discussing the importance of the strong difference between the UV emissions of Type Ia and CC SNe for the possible future use of the photometry as a reliable instrument to classify SNe at very high redshifts.

Abstract (italiano)

Lo studio dell'emissione nella banda Ultravioletta di una Supernova permette di ottenere preziose informazioni circa l'evento stesso: essa e' molto sensibile alla metallicita' dell'ejecta della SN; fornisce indicazioni sulla struttura del progenitore e su come esso sia esploso; fotoni UV sono prodotti durante l'interazione con il materiale circumstellare presente attorno alla SN, rivelando la struttura dell'ambiente circostante e quindi le fasi evolutive del progenitore precedenti all'esplosione. Per queste ragioni, la Tesi e' principalmente indirizzata allo studio delle proprieta' UV delle SNe. In particolare, essa e' focalizzata sull'analisi delle nuove osservazioni ottenute con i satelliti Swift e GALEX, migliorando l'attuale scarsa conoscenza delle proprieta' dei diversi tipi di SNe in questo specifico intervallo di lunghezze d'onda. Considerando che le imminenti surveys di SNe ad alto redshift saranno condotte utilizzando le bande ottiche e infrarosse, che campionano in realta' l'emissione UV della SN nel suo sistema a riposo, la comprensione dell'evoluzione spettrale nell'UV delle SN locali e' essenziale per interpretare correttamente i risultati delle stesse surveys. Nonostante l'ampio interesse, tutt'oggi il campione di SNe osservate spettroscopicamente nell'UV e' ancora molto ristretto.
Dopo una panoramica generale sulla comprensione attuale del fenomeno SN e delle loro emissioni nell'UV, presenteremo per la prima volta l'intero dataset di osservazioni spettroscopiche di SNe, ottenuto con Swift duranti i primi due anni di attivita' (2005-2006). Il campione di SNe conta 9 oggetti, di cui 6 SNe Tipo Ia (SNe 2005am, 2005cf, 2005df, 2005ke, 2005hk e 2006X), 2 Tipo II (SNe 2005cs e 2006bp) e 1 Tipo Ib/c (SN 2006jc), per un totale di 31 spettri ottenuti con il grism UV e 22 con quello V.
Il basso rapporto segnale-rumore che caratterizza i dati e' stato migliorato grazie all'applicazione di una tecnica di estrazione ottimizzata e il problema dello spostamento del punto zero della calibrazione in lunghezza d'onda risolto con il confronto con gli spettri quasi-simultanei ottenuti da telescopi terrestri.
Un importante passo verso la caratterizzazione delle SNe nell'UV e' stato compiuto con questo lavoro. Infatti, con SN 2005cf, presentiamo il miglior follow-up UV finora ottenuto per una SN Ia, con 7 spettri UV presi durante le fasi precedenti al massimo, migliorando la precedente gia' eccezionale performance di IUE. In generale, gli spettri UV delle SNe Ia, formati principalmente dal processo di reverse fluorescence negli ioni dei metalli presenti negli strati piu' esterni dell'ejecta, presentano principalmente due assorbimenti larghi a circa 3050 A e 3250 A [dovuti alle righe del Fe, Co, Cr e Ti, Kirshner92A, sauer08].
Un confronto fra gli spettri Swift di SNe Ia e quelli presenti in letteratura delle SNe 1992A e 1990N mostra che le SNe Ia con propriet\`a simili nell'ottico possono differire nell'UV.
SN 2006jc, l'unica SN Ib/c del nostro campione spettroscopico, presenta due forti emissioni, rare nelle fasi iniziali, a ~2800-3000 A, che possono essere interpretate come il segno dell'interazione fra l'ejecta della SN e il gas originariamente espulso dalla stella progenitrice.
Gli spettri UV di entrambe le SNe IIP, SN 2005cs e SN 2006bp, sono modellati dal "blend" delle righe dei metalli ionizzati (come FeII e NiII) e del MgII, producendo un effetto di "line blanketing" che aumenta con l'abbassarsi della temperatura.
Dal confronto delle osservazioni di SNe ottenute con Swift durante i suoi primi due anni e quelle dei 15 anni di attivita' di IUE, l'elevato numero di spettri UV gia' ottenuto con Swift si evidenzia, come anche la sua grande flessibilita' e il suo rapido tempo di risposta che permettono l'avvio della campagna osservativa immediatamente dopo la scoperta ed un'elevata frequenza di osservazioni dello stesso target.
Nella seconda parte della Tesi, l'analisi e' focalizzata sull'interessante SN 2005ay, una SN Tipo II esplosa in NGC 3938, appartenente alla sottoclasse delle II Plateau.
SN 2005ay e' stato il primo target osservato all'interno di un vasto progetto di osservazione
di CC SNe in un ampio intervallo spettrale. Presenteremo e analizzeremo gli spettri UV di SN 2005ay ottenuti con GALEX (a 4 epoche spettroscopiche), insieme all'enorme dataset spettroscopico e fotometrico (126 notti di fotometria e 20 spettri ottici) collezionato nell'ottico e vicino infrarosso presso 11 diversi telescopi.
L'estensione in lunghezza d'onda del campionamento e il dettagliato follow-up temporale fa di SN 2005ay una delle SNe con la miglior copertura mai ottenuta (seconda solo a SN 1987A).
Per questa ragione, SN 2005ay diventera' un "golden template" per le SNe di Tipo II, specialmente per le Tipo IIP.\\
Con questa Tesi, abbiamo contribuito all'aumento del campione di SNe IIP osservate nell'UV.
Infatti, nonostante rappresentino la frazione maggiore di SN Tipo II, solemente due sono gli oggetti
in letteratura osservati nell'UV: SN 1999em e SN 1987A. Considerando la peculiarita' di quest'ultima, in pratica aggiungendo SNe 2005ay e 2005cs al campione abbiamo triplicato il numero di SN IIP tipiche con dati UV di buona qualita'.
Lo studio comparativo delle SNe IIP nell'UV ha rivelato una notevole somiglianza fra gli oggetti di questa classe, che, se confermata dall'osservazione futura di ulteriori SN IIP, potrebbe confermare l'attendibilita' di queste SNe come indicatori di distanza.

In conclusione, come contributo finale di questa Tesi, abbiamo confrontato la distribuzione spettrale di energia (nell'intervallo 2000-10,000 A) dei principali tipi di SNe, discutendo l'importanza che la grande differenza di emissione nell'UV fra SNe Ia e CC puo' avere nel futuro possibile uso della sola fotometria come strumento attendibile per la classifizione delle SNe a redshift molto alti.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Turatto, Massimo - Benetti, Stefano
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > ASTRONOMIA
Data di deposito della tesi:29 Gennaio 2009
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2009
Parole chiave (italiano / inglese):supernovae, ultraviolet
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/05 Astronomia e astrofisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > pre 2012 - Dipartimento di Astronomia
Codice ID:1704
Depositato il:29 Gen 2009
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Bibliografia

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