[論文レビュー] High resolution spectroscopy of SN~2023ixf's first week: Engulfing the Asymmetric Circumstellar Material

Nathan Smith, Jeniveve Pearson+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 8

ひとこと要約

本論文は発見後の最初の週でSN 2023ixfの夜間高分解能エchelleスペクトルを提示し、急速に進化する非対称CSMの特徴を明らかにし、CSMの広がりを約20–30 AUに制約する。狭い線はSNの光球が非対称CSMを包み込むにつれて消える。

ABSTRACT

We present a series of high-resolution echelle spectra of SN~2023ixf in M101, obtained nightly during the first week or so after discovery using PEPSI on the LBT. NaID absorption in these spectra indicates a host reddening of $E(B-V)$=0.031~mag and a systemic velocity of $+$7~km~s$^{-1}$ relative to the average redshift of M101. Dramatic changes are seen in in the strength and shape of strong emission lines emitted by CSM, including HeII4686, CIV5801,5811, H$α$, and NIV7109,7123. In general, these narrow lines broaden to become intermediate-width lines before disappearing from the spectrum within a few days, indicating a limited extent to the dense CSM of around 20-30 AU (or $\la$10$^{14.7}$ cm). H$α$ persists in the spectrum for about a week as an intermediate-width emission line with P~Cyg absorption at 700-1300 km s$^{-1}$ arising in the post-shock shell of swept-up CSM. Early narrow emission lines are blueshifted and indicate an expansion speed in the pre-shock CSM of about 115 km s$^{-1}$, but with even broader emission in higher ionization lines. This is faster than the normal winds of red supergiants, suggesting some mode of eruptive mass loss from the progenitor or radiative acceleration of the CSM. A lack of narrow blueshifted absorption suggests that most of the CSM is not along our line of sight. This and several other clues indicate that the CSM of SN~2023ixf is significantly aspherical. We find that CSM lines disappear after a few days because the asymmetric CSM is engulfed by the SN photosphere.

研究の動機と目的

• SN 2023ixfの時間変化高分解能分光を通じて直接的な周囲環境を特徴づける。
• 宿主環境を固定するための太陽風分布と interstellar Na I D 吸収からの赤化と全系速度を定量化する。
• 高イオン化線とH線の進化を追跡し、CSMの形状と質量損失の歴史を推測する。

提案手法

• 爆発後2～9日間でLBTのPEPSIを用いて日次の高分解能エchelle分光を取得（R~50,000, 6 km s^-1）。
• Na I Dの等価幅を測定し、Poznanski ら(2012)の関係を用いて宿主の赤化を決定する。
• 狭い・中間幅の放出線（He II 4686, C IV 5801/5811, N IV 7109/7123, Hα, He I 5876）の分解と進化を追跡する。
• 線のプロファイルをローレンツ型/ガウシアン型で差し引き、電子散乱の翼と衝撃後の冷却の兆候を比較する。
• 線のセントロイドのシフトと幅を用いて衝撃前のCSM速度（≈115 km s^-1）と衝撃後のCDSのダイナミクス（≈500–1000 km s^-1）を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 爆発後の最初の週におけるSN 2023ixfのCSM相互作用サインの性質と時間スケールはどのようなものか。
• RQ2 CSMの幾何学は主に非対称か、そしてこれは線プロファイルとその進化にどのように現れるか。
• RQ3 早期の高分解能分光から得られる赤化、全系速度、前駆星の質量損失歴の制約は何か。
• RQ4 高イオン化線（He II, C IV, N IV）の進化はイオン化源とCSMを通る衝撃の進行にどのように関連するか。

主な発見

• Na I D の星間吸収は宿主の赤化 E(B-V) = 0.031 mag と M101に対する全系速度を +7 ± 1 km s^-1 と示す。
• 高イオン化の狭線（He II 4686, C IV 5801/5811, N IV 7109/7123）は約50–150 km s^-1の青方偏移を示し、3–4日で消えるため、約20–30 AUのコンパクトで高密度なCSMを示唆する。
• Hαは狭い成分から幅広いローレンツ翼を伴う中間幅のP Cygni型に約1週間で変化し、赤翼の最大速度は約2000 km s^-1から約1000 km s^-1へ減少する。
• He IIは減衰し、He I 5876は4–5日で強度を増し、衝撃後ガスの冷却と再結合が約500–1000 km s^-1で進行していることを示唆する。
• 持続的な狭青方偏移吸収がなく、CSM線が日目7–8で消失することは、ほとんどのCSMがSN光球に包まれ非対称であることを意味する。
• CSM速度と急速な進化は、安定した風よりも爆発前の破裂的または断続的な質量喪失を示唆する。