[論文レビュー] A Luminous Red Supergiant and Dusty Long-period Variable Progenitor for SN 2023ixf

J. Jencson, Jeniveve Pearson+24 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、スパッツァー宇宙望遠鏡および地上望遠鏡による前爆発期の近赤外および中赤外画像を用いて、SN 2023ixfの前身星として、周期的変動とほこりを含む周囲物質を有する明るい赤超巨星（LRSG）を同定した。前身星の質量は $17 \pm 4~M_\odot$、高 luminosity（$ \log L/L_\odot = 5.1 \pm 0.2$）、前爆発期の質量放出率は $3 \times 10^{-5}$ から $3 \times 10^{-4}~M_\odot~\text{yr}^{-1}$ であり、脈動駆動による質量放出を示しており、直接的な画像制約を有するタイプII超新星の前身星としては最も明るい部類に属する。

ABSTRACT

We analyze pre-explosion near- and mid-infrared (IR) imaging of the site of SN 2023ixf in the nearby spiral galaxy M101 and characterize the candidate progenitor star. The star displays compelling evidence of variability with a possible period of $\approx$1000 days and an amplitude of $Δm \approx 0.6$ mag in extensive monitoring with the Spitzer Space Telescope since 2004, likely indicative of radial pulsations. Variability consistent with this period is also seen in the near-IR $J$ and $K_{s}$ bands between 2010 and 2023, up to just 10 days before the explosion. Beyond the periodic variability, we do not find evidence for any IR-bright pre-supernova outbursts in this time period. The IR brightness ($M_{K_s} = -10.7$ mag) and color ($J-K_{s} = 1.6$ mag) of the star suggest a luminous and dusty red supergiant. Modeling of the phase-averaged spectral energy distribution (SED) yields constraints on the stellar temperature ($T_{\mathrm{eff}} = 3500_{-1400}^{+800}$ K) and luminosity ($\log L/L_{\odot} = 5.1\pm0.2$). This places the candidate among the most luminous Type II supernova progenitors with direct imaging constraints, with the caveat that many of these rely only on optical measurements. Comparison with stellar evolution models gives an initial mass of $M_{\mathrm{init}} = 17\pm4 M_{\odot}$. We estimate the pre-supernova mass-loss rate of the star between 3 and 19 yr before explosion from the SED modeling at $\dot M \approx 3 imes10^{-5}$ to $3 imes10^{-4} M_{\odot}$ yr$^{-1}$ for an assumed wind velocity of $v_w = 10$ km s$^{-1}$, perhaps pointing to enhanced mass loss in a pulsation-driven wind.

研究の動機と目的

• 前爆発期の赤外画像を用いて、SN 2023ixfの直接的前身星を同定・特徴づけること。
• 高質量赤超巨星（$>18~M_\odot$）がタイプII超新星の前身星サンプルに欠落しているという「RSG問題」を解消するために、その存在を同定すること。
• スペクトルエネルギー分布（SED）モデリングを用いて、前爆発期の質量放出率および周囲ほこりの性質を定量化すること。
• 前身星の変動および脈動周期を、晩期星の進化と強化された質量放出と関連付けること。
• 前身星の観測と初期期超新星相互作用の特徴を直接比較可能にするものとすること。

提案手法

• 2004年から2023年までのアーカイブ済みスパッツァー宇宙望遠鏡IRACデータの分析により、前身星候補の長期的変動を検出すること。
• 2010年から2023年までのジェミニおよびMMT望遠鏡によるJおよびKsバンドの近赤外光度測定を用いて、変動の追跡と色の測定を行うこと。
• 2次元ほこりモデルおよび星の大気モデルを用いた平均位相スペクトルエネルギー分布（SED）モデリングにより、効果的温度と光度を導出すること。
• 導出されたT_effおよび log L/L_\odot と星の進化モデルを比較して、初期質量を推定すること。
• SEDから得られたほこりの性質と仮定された風速度（v_w = 10 km s⁻¹）を用いて、前爆発期の質量放出率を推定すること。
• 1000日周期の長周期変光星（LPV）と同一視し、Δm ≈ 0.6 magの振幅を示していること。

Figure 1: IR pre-explosion imaging of the site of SN 2023ixf. The source identified as the progenitor candidate is indicated by the white crosshairs at the center of each panel. In the left column, we show the Spitzer/IRAC [3.6] (top) and [4.5] (bottom) Super Mosaics. In the bottom center and right

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2023ixfの前身星の性質は何か？ また、その変動は脈動赤超巨星と整合的か？
• RQ2 前身星の初期質量および光度は何か？ そして、タイプII超新星の前身星としての理論的期待値と比較するとどうか？
• RQ3 前爆発期の質量放出率は何か？ また、脈動駆動風モデルと整合的か？
• RQ4 前身星の赤外色およびほこりの性質は、その進化状態および質量放出歴とどのように関連するか？
• RQ5 初期超新星相互作用の特徴は、前身星の周囲環境と直接関連づけられるか？

主な発見

• 前身星は約1000日周期の周期的変動を示し、明るさの振幅はΔm ≈ 0.6 magであり、赤超巨星における縦方向脈動と整合的である。
• 効果的温度は $T_{\mathrm{eff}} = 3500_{-1400}^{+800}$ K、光度は $\log L/L_\odot = 5.1 \pm 0.2$ であり、直接的な画像制約を有するタイプII超新星の前身星としては最も明るい部類に位置する。
• 星の進化モデルとの比較により、初期質量は $M_{\mathrm{init}} = 17 \pm 4~M_\odot$ と推定され、これは高質量赤超巨星であることを示唆している。
• 前爆発期の質量放出率は、風速度10 km s⁻¹を仮定すると $\dot{M} \approx 3 \times 10^{-5}$ から $3 \times 10^{-4}~M_\odot~\text{yr}^{-1}$ と推定され、脈動によって駆動された質量放出の可能性を示している。
• 前爆発期に赤外で明るい噴煙は検出されず、質量放出は一時的ではなく、安定的であると考えられる。
• 前身星のJ-Ks色は1.6 mag、赤外の明るさ（M_Ks = -10.7 mag）は、ほこりを含み進化した赤超巨星であることを確認している。

Figure 2: Mid- and near-IR pre-explosion light curves of the SN 2023ixf progenitor candidate. Mid-IR [3.6] and [4.5] Spitzer light curves are based on image subtraction (filled gray circles and black squares, respectively) relative to PSF photometry on the 2004 Super Mosaics (open symbols). The $J$