Supernova studies in the SDSS-II/SNe Survey: Spectroscopy of the peculiar SN 2007qd, and photometric properties of Type-Ia supernovae as a function of the distance to the host galaxy

Abstract

Aquesta tesi engloba el treball fet durant els ultims quatre anys com a estudiant de doctorat a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), emmarcat dins de la col·labaració Sloan Digital Sky Survey II Supernova (SDSS-II/SNe) Survey. Al primer capítol (§1) s’introdueixen els principals conceptes del Model Estàndar de Cosmologia, presentant els seus orígens, les propietats dels seus continguts, i les mesures de distància i brillantor. També es reconstrueix l’història de l’univers des del Big Bang i es resumeixen alguns dels descobriments més excitants que han confirmat les prediccions del Model Estàndar. Seguidament (§2), es dona una explicació detallada de les supernoves (SNe), incloenthi el mecanisme físic que dóna lloc a les explosions, les diferències entre els diferents tipus, i la seva classificació espectral. També es descriuen les propietats fotomètriques i espectroscòpiques de les supernoves de tipus Ia. Tot seguit, es resumeixen les mesures del ritme d’explosions, les propietats de les gal·làxies on resideixen les supernoves, i el seu ús en Cosmologia a través del diagrama de Hubble. Al següent capítol, (§3) es descriu la col·laboració SDSS-II/SNe Survey, una extensió de tres anys (2005-2007) del projecte Sloan (SDSS) que ha detectat i mesurat corbes de llum de centenars de supernoves tot escanejant el cel en repetides ocasions. Vam contribuir al seguiment espectroscòpic de les supernoves de SDSS-II/SNe, obtenint 23 espectres de supernoves durant 4 nits d’Octubre i Novembre (5-6 Oct. i 4-5 Nov.) del 2007, utilitzant el Telescopio Nazionale Galileo (TNG) situat a l’Observatorio del Roque de Los Muchachos (ORM) a l’illa de La Palma. Al capítol §4 es descriu tot el procés de reducció de les dades, des de l’adquisició de les imatges fins als espectres calibrats en flux i longitud d’ona. A continuació de la reducció dels espectres, al capítol §5, s’analitza una de les supernoves de tipus Ia menys lluminoses mai conegudes, la peculiar 2007qd, per la qual vam mesurar el primer espectre. Les propietats observades de la 2007qd la situen a la subclasse anomenada 2002cx, com a membre intermig entre la 2002cx i la 2008ha, enllaçant aquetes. Es presenten les observacions espectroscòpiques i fotomètriques de la supernova 2007qd i es comparen les seves propietats peculiars amb un ventall d’altres supernoves. Aquest anàlisi va ser publicat a McClelland et al. (2010). Al capítol §6, s’utilitzen les supernoves Ia descobertes pel SDSS-II/SNe Survey durant els tres anys d’activitat, per buscar dependències entre les propietats fotomètriques de les supernoves Ia i la projecció de la distància fins al centre de la gal·làxia on resideixen, utilitzant la distància com a aproximació a les propietats locals de les gal·làxies (ritme de creació d’estrelles, metalicitat local, etc.). Trobem que l’excés de color de les supernoves, parametritzat per AV a MLCS2k2 i per c a SALT2 decreix amb la distància projectada, en particular per les gal·làxies espirals. A més, amb menys significància, també es troba que l’amplada de la corba de llum, obtinguda amb MLCS2k2, està correlacionada amb la separació entre la supernova i el centre de la gal·làxia per les el·líptiques, així les supernoves amb corbes de llum més estretes, per tant menys lluminoses, s’observen més aviat a més distància del centre gal·làctic. Aquest anàlisi va ser presentat a la conferència Supernovae and their Host Galaxies que es va fer al Juny del 2011 a Sydney, i serà publicat a Galbany et al. (2011). Finalment, al capítol §7, es resumeix i es donen les conclusions d’aquesta tesi.

Esta tesis engloba el trabajo realizado durante los últimos cuatro años como estudiante de doctorado en el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), enmarcardo en la colabaración Sloan Digital Sky Survey II Supernova (SDSS-II/SNe) Survey. En el primer capítulo (§1) se introducen los principales conceptos del Modelo Estándar de Cosmología, presentando sus orígenes, las propiedades de sus contenidos, y las medidas de distancia y brillo. También se reconstruyen la historia del universo desde el Big Bang y se resumen algunos de los descubrimientos más excitantes que han confirmado las predicciones del Modelo Estándar. Seguidamente (§2), se da una explicación detallada de las supernovas (SNe), incluyendo el mecanismo físico que da lugar a las explosiones, las diferencias entre los diferentes tipos, y su clasificación espectral. También se describen las propiedades fotomètricas y espectroscópicas de las supernovas de tipo Ia. A continuación, se resumen las medidas del ritmo de explosión, las propiedades de las galaxias donde residen las supernovas, y su uso en Cosmología a través del diagrama de Hubble. En el siguiente capítulo, (§3) se describe SDSS-II/SNe Survey, una extensión de tres años (2005-2007) del proyecto Sloan (SDSS) que ha detectado y medido curvas de luz para centenares de supernovas a través de escanear el cielo en repetidas ocasiones. Como parte del seguimiento espectroscópico de las supernova de SDSS-II/SNe, contribuímos obteniendo 23 espectros de supernovas durante 4 noches de Octubre y Noviembre (5-6 Oct. y 4-5 Nov.) del 2007, utilizando el Telescopio Nazionale Galileo (TNG) situado en el Observatorio del Roque de Los Muchachos (ORM) en La Palma. En el capítulo §4 se describe toda la reducción de datos, desde la adquisición de las imágenes hasta los espectros calibrados en flujo y longitud de onda. Siguiendo la reducción de los espectros, en el capítulo §5, se describe una de las supernovas de tipo Ia menos luminosa jamàs conocida, la peculiar 2007qd, para la cual medimos el primer espectro. Las propiedades observadas de la 2007qd la sitúan en la subclase llamada 2002cx, como miembro intermedio entre las supernovas 2002cx y 2008ha, enlazándolas. Se presentan las observaciones espectroscópicas y fotométricas de la supernova 2007qd y se comparan su propiedades con un conjunto de otras supernovas. Éste análisis fue publicado en McClelland et al. (2010). En el capítulo §6, se utilizan las supernovas Ia descubiertas por SDSS-II/SNe Survey durante los tres años de actividad, para buscar dependencias entre las propiedades fotométricas de las supernovas Ia y la proyección de la distancia hasta el centro de la galaxia donde residen, utilizando la distancia como aproximación a las propiedades locales de las galaxias (ritmo de creación de estrellas, metalicidad local, etc.). Encontramos que el exceso de color de las supernovas, parametrizado por AV en MLCS2k2 y por c en SALT2 decrece con la distancia, en particular para las galaxias espirales. Además, y con menos significancia, también se encuentra que la amplitud de la curva de luz, obtenida con MLCS2k2, está correlacionada con la separación entre la supernova y el centro de la galaxia para las galaxias elípticas, así las supernovas con curvas de luz más estrechas, y menos luminosas, se observan a más distancia del centro galactico. Este análisis fue presentado en la conferencia Supernovae and their Host Galaxies que tuvo lugar en Junio del 2011 en Sydney, y serà publicado en Galbany et al. (2011). Finalmente, en §7, se resume y se presentan las conclusiones de esta tesis.

This thesis comprises the work I have been doing during the last four years at Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) as a PhD student, and has to be understood within the context of the Sloan Digital Sky Survey II Supernova (SDSS-II/SNe) survey. The content of this thesis is ordered as follows. In the next Chapter (§1) I introduce the main concepts of the Standard Model of Cosmology, presenting the origins, the properties of its contents, and the distance and the brightness measurements. I also reconstruct the history of universe since the Big Bang and summarize some of the most exciting discoveries that have confirmed the Standard Model predictions. In §2, a detailed explanation of supernovae (SNe) is given, including the physical mechanism that accounts for their explosions, the differences among the several types of SNe, and their spectral classification. We also describe the spectroscopic and photometric properties of Type-Ia SNe. After that, we review the SNe rate of the explosion measurements, the properties of their host galaxies, and their use in Cosmology through the Hubble diagram. After that, in §3, I describe the SDSS-II/SNe survey, a three-year (2005-2007) extension of SDSS of which I am an external collaborator, which has detected and measured light-curves for several hundred supernovae through repeat scans of the sky. As a part of the spectroscopic follow-up of the SDSS-II/SNe candidates, we contributed to the project taking spectra of 23 SNe during four nights in October and November (5-6 Oct. and 4-5 Nov.) of 2007 using the Telescopio Nazionale Galileo (TNG) located at the Observatorio del Roque de Los Muchachos (ORM) in La Palma. In §4, the whole reduction procedure, from the acquisition of the raw data by the telescope camera to the final flux-calibrated spectra, is described. Following the spectra reduction, in §5, I describe one of the most subluminous type-Ia events known, the peculiar 2007qd supernova, for which we took the first spectrum. The observed properties of 2007qd place it in the 2002cx subclass of supernovae, specifically as a member intermediate to 2002cx and 2008ha, linking these objects. We present the photometric and spectroscopic observations of 2007qd and compare its unique properties with a range of other SNe. This work was compiled and published in McClelland et al. (2010). Then, in §6, the three-year sample of Type Ia supernovae (SNe Ia) discovered by the SDSS-II/SNe Survey is used to look for dependencies between photometric SN Ia properties and the projected distance to the host galaxy center, using the distance as a proxy for local galaxy properties (local star-formation rate, local metallicity, etc.). We find that the excess color of the SN, parametrized by AV in MLCS2k2 and by c in SALT2 decreases with the projected distance, in particular for spiral galaxies. At a lower significance we find that the light-curve width, as obtained from MLCS2k2 , is correlated with the SN-galaxy separation for elliptical hosts, so that SNe Ia with narrower light-curves, hence dimmer, are more commonly observed at large distances from the host galaxy core. This analysis was presented in the Supernovae and their Host Galaxies conference which was held at Sydney, Australia in June 2011, and will be published in Galbany et al. (2011). Finally, in §7 we give a summary and the conclusions of this thesis.