[論文レビュー] From Discovery to the First Month of the Type II Supernova 2023ixf: High and Variable Mass Loss in the Final Year before Explosion

D. Hiramatsu, D. Tsuna+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 118被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、爆発から1日以内に発見されたType II超新星SN 2023ixfの多波長観測を報告し、爆発前の最終1年間に高いかつ変動する質量放出が生じていることを明らかにした。光曲線モデリングを用いて、連続的および爆発的質量放出の両方のシナリオを制約し、爆発の1年前に0.1–1.0 M☉ yr⁻¹の連続的損失、または0.3–1.0 M☉の爆発的損失が生じていると判明した。周囲星間物質（CSM）は約(3–7)×10¹⁴ cmまで広がっており、密度が高く、コンパクトなCSMとの相互作用を示している。

ABSTRACT

We present the discovery of the Type II supernova SN 2023ixf in M101 and follow-up photometric and spectroscopic observations, respectively, in the first month and week of its evolution. Our discovery was made within a day of estimated first light, and the following light curve is characterized by a rapid rise ($\approx5$ days) to a luminous peak ($M_V\approx-18.2$ mag) and plateau ($M_V\approx-17.6$ mag) extending to $30$ days with a fast decline rate of $\approx0.03$ mag day$^{-1}$. During the rising phase, $U-V$ color shows blueward evolution, followed by redward evolution in the plateau phase. Prominent flash features of hydrogen, helium, carbon, and nitrogen dominate the spectra up to $\approx5$ days after first light, with a transition to a higher ionization state in the first $\approx2$ days. Both the $U-V$ color and flash ionization states suggest a rise in the temperature, indicative of a delayed shock breakout inside dense circumstellar material (CSM). From the timescales of CSM interaction, we estimate its compact radial extent of $\sim(3-7) imes10^{14}$ cm. We then construct numerical light-curve models based on both continuous and eruptive mass-loss scenarios shortly before explosion. For the continuous mass-loss scenario, we infer a range of mass-loss history with $0.1-1.0\,M_\odot\,{ m yr}^{-1}$ in the final $2-1$ yr before explosion, with a potentially decreasing mass loss of $0.01-0.1\,M_\odot\,{ m yr}^{-1}$ in $\sim0.7-0.4$ yr toward the explosion. For the eruptive mass-loss scenario, we favor eruptions releasing $0.3-1\,M_\odot$ of the envelope at about a year before explosion, which result in CSM with mass and extent similar to the continuous scenario. We discuss the implications of the available multiwavelength constraints obtained thus far on the progenitor candidate and SN 2023ixf to our variable CSM models.

研究の動機と目的

• Type II超新星SN 2023ixfの前身星が爆発の1年前にどのように質量放出を経験したかを理解すること。
• 観測された光曲線およびスペクトル的進化が、連続的質量放出か爆発的質量放出かのどちらに一致するかを特定すること。
• 衝撃波ブレイクおよび相互作用 timescale から、周囲星間物質（CSM）の性質、特に質量および半径方向の広がりを制約すること。
• 連続的および爆発的質量放出の両方のシナリオを用いてSNの光曲線をモデリングし、最も妥当な前身星の進化を特定すること。
• 前身星候補およびSN 2023ixfのCSM環境に対する多波長制約の意味を評価すること。

提案手法

• 複数の望遠鏡および機器を用いて、SN 2023ixfの発見から爆発後30日までの光度およびスペクトル的モニタリング。
• U-V色の進化およびフラッシュイオン化状態の分析により、温度変化および衝撃波ブレイクのタイミングを推定。
• 連続的質量放出および爆発的質量放出の両方のシナリオに基づく数値シミュレーションを用いた光曲線モデリング。
• 一定速度の衝撃波モデルを仮定し、CSM相互作用のtimescaleからCSMの半径方向広がりを推定。
• MESAおよびemceeを用いた光曲線モデリングにより、質量放出レートおよび噴出エネルギーを制約。
• アーカイブおよび調査データ（例：ATLAS, PS1, ZTF, NEOWISE）を用いて、前身星の変動性および爆発前の質量放出を同定。

Figure 1: Left : last nondetection ( top ) and discovery ( bottom ) images taken by the Itagaki Astronomical Observatory. The red circle marks the position of SN 2023ixf. Right : color-composite ( $griz$ -band) image of SN 2023ixf and its host galaxy M101 taken by the Fred Lawrence Whipple Observato

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2023ixfの爆発前の最終1年間に観測された質量放出の性質とtimescaleは何か？
• RQ2 観測された急速な上昇とプラトー型光曲線は、連続的質量放出か爆発的出来事か、どちらによって最もよく説明されるか？
• RQ3 SNの衝撃波と相互作用する周囲星間物質（CSM）の半径方向広がりと質量は何か？
• RQ4 観測されたフラッシュイオン化状態および色の進化は、衝撃波ブレイクおよび温度変化をどのように制約するか？
• RQ5 CSMの性質が前身星の進化状態および最終的な質量放出歴に与える意味は何か？

主な発見

• 光曲線は、ピークの絶対等級がMV ≈ -18.2 magに達するまで約5日間で急上昇し、その後MV ≈ -17.6 magのプラトー状態が30日間続き、減少率は約0.03 mag day⁻¹であった。
• U-V色の進化は上昇期には青方向に進み、プラトー期には赤方向に進む傾向を示し、温度上昇の後で冷却が生じていることを示している。
• H、He、C、Nのフラッシュ特徴が、約5日間まではスペクトルに支配的であり、最初の2日以内に高イオン化状態への移行が観測された。これは、密度の高いCSM内での遅延した衝撃波ブレイクを示唆している。
• CSM相互作用のtimescaleから、約(3–7)×10¹⁴ cmのコンパクトな半径広がりが推定され、高密度の爆発前質量放出と整合的である。
• 連続的質量放出のシナリオでは、最終2–1年間に0.1–1.0 M☉ yr⁻¹の放出レートが推定され、最後の0.7–0.4年間に0.01–0.1 M☉ yr⁻¹に低下する可能性がある。
• 爆発的質量放出のシナリオでは、爆発の1年前に約0.3–1.0 M☉の包層物質が噴出され、連続的シナリオと同程度の質量および広がりを持つCSMを形成するとモデルが支持している。

Figure 2: Left : pre-explosion differential flux measurements at the SN 2023ixf position in the ZTF g,r,i bands; ATLAS c,o bands; and WISE W1,W2 bands. Error bars denote $1\sigma$ uncertainties, and filled and open symbols are used for detections and $5\sigma$ limits, respectively. No significant va