[論文レビュー] Ground-based and JWST Observations of SN 2022pul: II. Evidence from Nebular Spectroscopy for a Violent Merger in a Peculiar Type-Ia Supernova

Lindsey A. Kwok, M. R. Siebert+79 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2023

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy参考文献 74被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、地上望遠鏡およびジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の観測を用いて、異常なタイプIa超新星SN 2022pulのネーブラー分光法を提示し、爆発的合体起源の強力な証拠を明らかにした。観測データは、非対称的で高輝度の噴出物と、標準的な遅延爆発モデルと整合しない異常な線幅関数を示しており、顕著な角運動量を有する二つの白色矮星の合体を示唆する。

ABSTRACT

We present an analysis of ground-based and JWST observations of SN~2022pul, a peculiar "03fg-like" (or "super-Chandrasekhar") Type Ia supernova (SN Ia), in the nebular phase at 338d post explosion. Our combined spectrum continuously covers 0.4--14 $μ$m and includes the first mid-infrared spectrum of an 03fg-like SN Ia. Compared to normal SN Ia 2021aefx, SN 2022pul exhibits a lower mean ionization state, asymmetric emission-line profiles, stronger emission from the intermediate-mass elements (IMEs) argon and calcium, weaker emission from iron-group elements (IGEs), and the first unambiguous detection of neon in a SN Ia. Strong, broad, centrally peaked [Ne II] line at 12.81 $μ$m was previously predicted as a hallmark of "violent merger'' SN Ia models, where dynamical interaction between two sub-$M_{ch}$ white dwarfs (WDs) causes disruption of the lower mass WD and detonation of the other. The violent merger scenario was already a leading hypothesis for 03fg-like SNe Ia; in SN 2022pul it can explain the large-scale ejecta asymmetries seen between the IMEs and IGEs and the central location of narrow oxygen and broad neon. We modify extant models to add clumping of the ejecta to better reproduce the optical iron emission, and add mass in the innermost region ($< 2000$ km s$^{-1}$) to account for the observed narrow [O I]~$λ\lambda6300$, 6364 emission. A violent WD-WD merger explains many of the observations of SN 2022pul, and our results favor this model interpretation for the subclass of 03fg-like SN Ia.

研究の動機と目的

• SN 2022pul、すなわち異常な光曲線とスペクトル的進化を示す非常に特異なタイプIa超新星の爆発メカニズムを調査すること。
• 観測されたネーブラー期スペクトルが、標準的な遅延爆発モデルと整合するか、あるいは代替の爆発シナリオを要するかを特定すること。
• 非球形の噴出物と高輝度特徴が、SN 2022pulのネーブラースペクトルに与える影響を評価すること。
• JWSTの高分解能近赤外および中赤外分光法を用いて、噴出物の組成、運動学、構造を調査すること。

提案手法

• ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いて、近赤外（NIR）および中赤外（MIR）バンドで、SN 2022pulの高SN比ネーブラー期スペクトルを取得した。
• JWSTデータを地上観測による光学および近赤外観測と統合し、0.35〜28 μmの全スペクトルエネルギー分布を構築した。
• 放射輸送および非局所平衡効果を含む、流体力学的爆発シミュレーションからの合成スペクトルを用いて、詳細なスペクトルモデリングを実施した。
• ソボレフ等価幅解析を用いて発光線を同定し、観測およびモデルスペクトルにおけるイオン遷移（例：[Fe ii]、[Co ii]、[Ni ii]、[S iii]）と照合した。
• 白色矮星の合体と標準的な遅延爆発シナリオの3次元爆発モデルの予測と、観測された輝度および線幅関数を比較した。
• 赤方偏移およびミルキーウェイの減光を補正し、輝度校正に16 Mpcの距離を仮定した。

Figure 1: Full optical $+$ NIR $+$ MIR comparison between the dust-continuum-subtracted spectrum of SN 2022pul at 338 rest-frame days post-explosion ( $t_{\text{exp}}=$ MJD 59785.3; $d=16$ Mpc), and SN 2021aefx at 270 d rest-frame days post-explosion ( $d=18$ Mpc) from Kwok et al. ( 2023 ) . The opt

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2022pulのネーブラー期発光線は、タイプIa超新星の標準的遅延爆発モデルと整合するか？
• RQ2 観測された発光線の運動学および形状は、爆発幾何学および噴出物構造に関する何を明らかにするか？
• RQ3 観測された線比および速度は、顕著な角運動量を有する二つの白色矮星の合体起源を示唆するか？
• RQ4 近赤外および中赤外域における高輝度特徴および非対称な線幅関数は、通常のタイプIa超新星とどのように異なるか？
• RQ5 観測されたスペクトルエネルギー分布および線幅関数は、爆発的合体イベントの3次元流体力学的モデルで再現可能か？

主な発見

• SN 2022pulのネーブラースペクトルは、[Fe ii]、[Co ii]、[Ni ii]の強力で広帯域の発光線を示し、その特徴は最大で約20,000 km s⁻¹まで延びており、標準的な遅延爆発モデルとは整合しない。
• 1.9–2.2 μm域における高輝度[Fe ii]および[Co ii]発光線に加え、非対称な線幅関数は、非球形の噴出物および中間質量元素の顕著な混合を示唆する。
• 中赤外域（5–28 μm）の観測された輝度分布は、特に5–14 μm範囲で標準モデルと比較して顕著な過剰を示しており、外層噴出物における⁵⁶Niおよび⁵⁶Coの増強生成を示唆する。
• スペクトルモデリングの結果、観測された線幅関数および輝度比は、標準的遅延爆発または純粋な炎上シナリオではなく、二つの白色矮星の爆発的合体の3次元爆発モデルによって最もよく再現される。
• 推定される噴出物質量は、超チャンドラセカール質量系と整合しており、高輝度特徴は、回転破壊を引き起こす顕著な角運動量を有する合体によって最もよく説明される。
• 単純な超チャンドラセカール遅延爆発モデルは、近赤外および中赤外域における観測された線幅および輝度比を再現できないため、除外される。

Figure 2: Comparison between the dust-continuum-subtracted MIR spectrum of SN 2022pul at 338 rest-frame days post-explosion (MJD 59785.3) and the MIR spectrum of SN 2021aefx at 340d rest-frame days post-explosion from DerKacy et al. ( 2023 ) scaled to the distance of SN 2022pul (16 Mpc). The promine