[論文レビュー] Far-Ultraviolet to Near-Infrared Observations of SN 2023ixf: A high energy explosion engulfed in complex circumstellar material

Rishabh Singh Teja, Avinash Singh+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超新星SN 2023ixfの爆発直後の数日以内に、遠紫外から近赤外にわたる多波長の光度測定およびスペクトロスコピー観測を実施し、爆発から35〜65年前にかけて質量放出が増加したことで形成された高密度な殻状の周囲星間物質（CSM）と相互作用する高エネルギー型Type II超新星であることが明らかになった。主な発見は、明るい光曲線と多峰性を持つHα線スペクトルが、エネルギーの高い爆発と継続的なCSM相互作用の組み合わせによって駆動されており、CSMは約75〜140 AUの範囲に閉じ込められており、質量放出率は約10⁻³.⁰±⁰.⁵ M☉ yr⁻¹である。

ABSTRACT

We present early-phase panchromatic photometric and spectroscopic coverage spanning far-ultraviolet (FUV) to the near-infrared (NIR) regime of the nearest hydrogen-rich core-collapse supernova in the last 25 years, SN 2023ixf. We observe early 'flash' features in the optical spectra due to a confined dense circumstellar material (CSM). We observe high-ionization absorption lines (FeII, MgII) in the ultraviolet spectra from very early on. We also observe a multi-peaked emission profile of H-alpha in the spectrum beginning ~16 d, which indicates ongoing interaction of the SN ejecta with a pre-existing shell-shaped CSM having an inner radius of ~75 AU and an outer radius of ~140 AU. The shell-shaped CSM is likely a result of enhanced mass loss ~35-65 years before the explosion assuming a standard Red-Supergiant wind. The UV spectra are dominated by multiple highly ionized narrow absorption features and broad emission features from elements such as C, N, O, Si, Fe, and Ni. Based on early light curve models of Type II SNe, we infer that the nearby dense CSM confined to (7+-3)e14cm (~45 AU) is a result of enhanced mass loss (10^{-3.0+-0.5} Msol/yr) two decades before the explosion.

研究の動機と目的

• SN 2023ixfの周囲に存在する高密度な周囲星間物質（CSM）の起源と性質を理解すること。
• CSM相互作用がSN 2023ixfの初期光曲線およびスペクトル的進化に果たす役割を調査すること。
• 特に紫外から近赤外までの多波長データを用いて、前身星の質量放出歴を制約すること。
• 通常の爆発エネルギーとCSM相互作用の寄与が、異常に高いピーク光度（MV ≈ -18.1 mag）にどの程度寄与しているかを特定すること。

提案手法

• 地上望遠鏡（HCT、GIT、KT）および宇宙望遠鏡（Swift、AstroSat）を用いて、爆発後2日以内に遠紫外（FUV）から近赤外（NIR）までのパンクロミック光度測定およびスペクトロスコピー観測を実施した。
• 光学および紫外スペクトルに初期のフラッシュ特徴（高イオン化線（Fe II、Mg II）および広帯域発光線（C、N、O、Si、Fe、Ni））を同定し、衝撃波ブレイクによるイオン化と継続的なCSM相互作用を示した。
• 爆発後約16日目から観測された多峰性を持つHαプロファイルを解析し、内半径約75 AU、外半径約140 AUの殻状CSMを推定した。
• 相互作用型Type II超新星の理論的光曲線モデルの広範なグリッドを用いて、CSMの密度および質量放出率などの性質を推定した。
• 標準的な赤超巨星（RSG）風モデルを適用し、爆発から約35〜65年前にかけての前身星の質量放出増加期を推定した。
• 観測された光曲線とモデルグリッドを比較し、ピーク光度に寄与する爆発エネルギーとCSM相互作用の相対的寄与を制約した。

Figure 1: Optical spectral evolution for SN 2023ixf from HCT, Perley & Gal-Yam ( 2023 ) and Stritzinger et al. ( 2023 ) . The spectra are corrected for the redshift of the host galaxy M 101, and the epochs are labeled with respect to our adopted explosion epoch. Top: Left: Early time spectral sequen

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2023ixfの周囲に存在する高密度な周囲星間物質（CSM）の起源と構造は何か？ また、いつに形成されたのか？
• RQ2 超新星の噴出物とCSMの相互作用が、SN 2023ixfの初期光曲線およびスペクトル的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ3 爆発以前の前身星の質量放出増加期の質量放出率と時間スケールは何か？
• RQ4 SN 2023ixfの異常に高いピーク光度（MV ≈ -18.1 mag）は、CSM相互作用と内在的な爆発エネルギーのどちらに起因しているのか？
• RQ5 CSMの物理的幾何学的形状は何か？ また、観測された多峰性を持つHα線スペクトルプロファイルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 初期の紫外および光学スペクトルには、持続的な高イオン化吸収線（Fe II、Mg II）とC、N、O、Si、Fe、Niからの広帯域発光線が観測され、衝撃波ブレイクおよび継続的なCSM相互作用によるイオン化を示した。
• 爆発後約16日目に多峰性を持つHα発光プロファイルが出現し、内半径約75 AU、外半径約140 AUの殻状CSMとの継続的相互作用を示した。
• CSMは、標準的なRSG風モデルを仮定した場合、爆発から約35〜65年前に発生した質量放出率約10⁻³.⁰±⁰.⁵ M☉ yr⁻¹の質量放出イベントに一致する。
• 初期光曲線モデリングおよびフラッシュ特徴の減衰 timescale から、近接した高密度CSMは約7±3×10¹⁴ cm（約45 AU）に閉じ込められていると推定された。
• MV ≈ -18.1 magのピーク光度は、典型的なType II超新星（MV ≈ -16.7 mag）よりも顕著に明るく、高エネルギー爆発とCSM相互作用の両方の組み合わせによるものとされる。
• 光曲線モデリングの結果、エネルギーの高い爆発とCSM相互作用の両方が光度に寄与しているが、各成分の相対的寄与度は未解明であり、さらなる観測が必要である。

Figure 2: Left: NUV spectral evolution for SN 2023ixf obtained using Swift/UVOT. Right: Top: FUV spectral evolution obtained using Astrosat/UVIT and the SYNAPPS fit to the spectrum of $\sim$ 7 d and $\sim$ 12 d. Bottom: Spectral comparison of NUV spectra with other Type II SNe.