[論文レビュー] Lightcurve and spectral modelling of the Type IIb SN 2020acat. Evidence for a strong Ni bubble effect on the diffusion time

M. Ergon, Peter Lundqvist+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、タイプIIb超新星SN 2020acatをモデル化するためにJEKYLL光曲線およびスペクトル合成コードを用い、ニッケルを多く含むクラップ（「Niバブル」と呼ばれる）の強い拡張が、拡散期とネビュラー期の両方をうまく再現するために不可欠であることを示した。拡張により有効な透過率が低下し、拡散 timescale が短縮される。これにより、従来のモデルが解消できなかった初期段階と後期段階の観測結果の矛盾が解消され、この効果を無視した場合、表層の爆発星における残骸質量が系的に低く見積もられる可能性があることが示唆された。

ABSTRACT

We use the light curve and spectral synthesis code JEKYLL to calculate a set of macroscopically mixed Type IIb supernova (SN) models, which are compared to both previously published and new late-phase observations of SN 2020acat. The models differ in the initial mass, the radial mixing and expansion of the radioactive material, and the properties of the hydrogen envelope. The best match to the photospheric and nebular spectra and lightcurves of SN 2020acat is found for a model with an initial mass of 17 solar masses, strong radial mixing and expansion of the radioactive material, and a 0.1 solar mass hydrogen envelope with a low hydrogen mass-fraction of 0.27. The most interesting result is that strong expansion of the clumps containing radioactive material seems to be required to fit the observations of SN 2020acat both in the diffusion phase and the nebular phase. These "Ni bubbles" are expected to expand due to heating from radioactive decays, but the degree of expansion is poorly constrained. Without strong expansion there is a tension between the diffusion phase and the subsequent evolution, and models that fit the nebular phase produce a diffusion peak that is too broad. The diffusion phase lightcurve is sensitive to the expansion of the "Ni bubbles", as the resulting Swiss-cheese-like geometry decreases the effective opacity and therefore the diffusion time. This effect has not been taken into account in previous lightcurve modelling of stripped-envelope SNe, which may lead to a systematic underestimate of their ejecta masses. It should be emphasized, though, that JEKYLL is limited to a geometry that is spherically symmetric on average, and large-scale asymmetries may also play a role. The relatively high initial mass found for the progenitor of SN 2020acat places it at the upper end of the mass distribution of Type IIb SN progenitors, and a single star origin can not be excluded.

研究の動機と目的

• SN 2020acatの観測された拡散期の光曲線とネビュラー期の進化の間にある矛盾を解消すること。これは従来のモデルが再現できなかった。
• タイプIIb超新星の光曲線およびスペクトル的進化を形作る放射性核物質の巨視的混合と拡張の役割を調査すること。
• 小さなスケールの非対称性（拡張するNiを含むクラップによる）が、有効な透過率および拡散時間に顕著な影響を与えるかどうかを評価すること。
• 自己一貫性のある光球面およびネビュラー期のモデリングを用いて、SN 2020acatの前身星質量および水素エンVELOPEの性質を制約すること。
• 標準的な光曲線モデリングでNiバブルの拡張を無視した場合の影響を評価すること。これにより、表層の爆発星における残骸質量が系的に低く見積もられる可能性がある。

提案手法

• JEKYLLコードを用いて、SN 2020acatの光球面およびネビュラー期の光曲線とスペクトルをモデリングし、非局所熱力学平衡（NLTE）効果を組み込んだ。
• 初期質量、放射性核物質の径方向混合および拡張、水素エンVELOPE質量および組成を変化させた巨視的混合タイプIIb超新星モデルのセットを計算した。
• 拡張するNiを含むクラップによるスイスチーズ様の幾何構造をモデルに組み込み、有効な透過率を低下させ、拡散timescaleを短縮した。
• 出版済みおよび新しい後期段階の観測（B、V、Kバンドの光度測定およびスペクトル）に一致するように、モデルのパラメータを調整した。
• 放射性クラップの強い拡張が拡散時間に与える影響を、強力な拡張を含むモデルと含まないモデルを比較することで定量化した。
• モデルは巨視的混合とクラップの拡張を考慮しているが、球対称な平均幾何構造を仮定しているため、大規模な非対称性を評価する能力に制限がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2020acatのようなタイプIIb超新星において、Niを多く含むクラップ（「Niバブル」）の拡張が、拡散timescaleおよび光曲線の形状に顕著な影響を与えるか？
• RQ2 なぜネビュラー期に適合するモデルでは、SN 2020acatの観測された拡散ピークの幅を再現できないのか？この矛盾はNiバブルの拡張を組み込むことで解消可能か？
• RQ3 拡張するNiクラップによるスイスチーズ様の構造が、有効な透過率をどの程度低下させ、光曲線モデリングにどのような影響を与えるか？
• RQ4 標準的な光曲線モデリングでNiバブルの拡張を無視した場合、表層の爆発星における推定された残骸質量にどのような影響があるか？
• RQ5 大規模な非対称性や他の効果が観測された不一致を説明できるのか、それとも小スケールのクラップ拡張だけですでにSN 2020acatの矛盾を解消できるのか？

主な発見

• SN 2020acatの最良適合モデルでは、初期前身星質量が17 M⊙、水素エンVELOPE質量が0.1 M⊙、水素質量分率が0.27の低さを示し、強い径方向混合と放射性核物質の顕著な拡張を要する。
• 観測された拡散ピーク幅とネビュラー期の進化を一致させるには、Niを多く含むクラップの強い拡張が不可欠である。これは有効な透過率を低下させ、拡散timescaleを短縮するからである。
• 強いNiバブルの拡張がないと、モデルはピークが広すぎる拡散ピークを生成し、初期段階と後期段階の間に解消できない矛盾を生じる。他のパラメータではこの矛盾を解消できない。
• 従来の表層の爆発星の光曲線モデリングでは、Niバブルの拡張が拡散時間に与える影響が考慮されていなかった。このため、残骸質量が系的に低く見積もられる可能性がある。
• モデルでは約100日後からKバンドに著しい過剰が生じるが、これはSN 2011dhで観測されたダスト形成に類似しているが、現在のモデリングでは完全には再現されていない。
• SN 2020acatで約100日後以降に観測された平坦なヘリウムラインHe i 1.083 μmの線形状態は、モデルで再現されない。これは極端な混合や標準的でない核燃焼条件が関与している可能性を示唆している。