[論文レビュー] The Progenitor Star of SN 2023ixf: A Massive Red Supergiant with Enhanced, Episodic Pre-Supernova Mass Loss

Yu-Jing Qin, Keming Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高精度なKeck/NIRC2およびハッブル宇宙望遠鏡（HST）画像を用いて、SN 2023ixfの前身星が、強化された周期的前爆発質量放出を示す大質量赤超巨星（RSG）であると特定した。前身星は明著な赤外線過剰と周期的変動を示し、脈動駆動によるダスト循環を伴うダストを含むRSGとして最もよく説明され、質量放出率は$3.58 \times 10^{-4}\,\mathrm{M}_{\odot}\,\text{yr}^{-1}$に達し、最終脈動段階で放出された高密度で局所化された周囲星間物質を示している。

ABSTRACT

We identify the progenitor star of SN 2023ixf in the nearby galaxy Messier 101 using Keck/NIRC2 adaptive optics imaging and pre-explosion HST/ACS images. The supernova position, localized with diffraction-spike pattern and high precision relative astrometry, unambiguously coincides with a single progenitor candidate of m_F814W=24.96(-0.04)(+0.05). Forced photometry further recovers 2-sigma detections in the F673N and F675W bands and imposes robust flux limits on the bluer bands. Given the reported infrared excess and semi-regular variability of the progenitor, we fit a time-dependent spectral energy distribution (SED) model of a dusty red supergiant (RSG) to a combined dataset of HST photometry, as well as ground-based near-infrared and Spitzer/IRAC [3.6], [4.5] photometry from the literature. The progenitor closely resembles a RSG of T_eff=3343+/-27 K and logL=5.10+/-0.02, with a 0.11+/-0.01 dex (25.2+/-1.7 per cent) variation over the mean luminosity at a period of P=1128.3+/-6.5 days, heavily obscured by a dust envelope with an optical depth of tau=2.83+/-0.03 at 1 micron (or A_V=10.28+/-0.11 mag). Such observed signatures match a post-main sequence star of 18.1(-1.2)(+0.7) Msun, close to the most massive SN II progenitor, with a pulsation-enhanced mass-loss rate of M_dot=(3.58+/-0.15) x 10^(-4) Msun/yr. The dense and confined circumstellar material is likely ejected during the last episode of radial pulsation before the explosion. Notably, we find strong evidence for periodic variation of tau (or both T_eff and tau) along with luminosity, a necessary assumption to reproduce the wavelength dependence of the variability, which implies dust sublimation and condensation during radial pulsations. Given the observed SED, partial dust obscuration remains a possible scenario, but any unobstructed binary companion over 7.1 Msun can be ruled out.

研究の動機と目的

• SN 2023ixfの前身星を、近傍の渦巻銀河M101において、爆発前のHSTおよびKeck/NIRC2画像を用いて同定・特徴づけること。
• 大質量RSGが$\log(L/L_\odot) > 5.1$を示すにもかかわらず、SN IIの前身星としてほとんど観測されないという「RSG問題」を解明すること。
• 多波長フィルターフォトメトリーを用いて、前身星の光度、効果的温度、質量、ダスト遮蔽の物理的性質を特定すること。
• 前身星の光度とダスト光学的厚さの周期的変動が、脈動駆動によるダストの蒸発と凝縮サイクルによって説明可能かどうかを検証すること。
• 観測された赤外線過剰と変動の原因としての、質量が大きく遮蔽のない連星同伴星の存在を除外すること。

提案手法

• 回折スパイクパターンと高精度相対天体測定を用いたKeck/NIRC2の適応光学画像を用い、超新星位置を$19.5\,\text{mas}$の不確実性で局所化した。
• 爆発前のHST/ACS画像に対して強制的フォトメトリーを実施し、F673N、F675W、F814Wバンドで$2\sigma$検出を回復した。
• HST、地上赤外線、Spitzer/IRACのフィルターフォトメトリーを統合した、ダストを含む赤超巨星の時間依存的スペクトルエネルギー分布（SED）モデルを構築した。
• 波長依存の変動を再現するために、変動するダスト光学的厚さ（$\tau$）と効果的温度（$T_{\text{eff}}$）を含む脈動調制SEDモデルをフィットした。
• 径方向脈動によって駆動される周期的ダスト蒸発と凝縮に起因する$\tau$の変動を組み込んだ、時間変化するダストエンベロープモデルを組み込んだ。
• ダスト吸収率を含むMARCS星の大気モデルを用い、質量放出率$\dot{M}$、光度$L$、$A_V$などの物理的パラメータを導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2023ixfの前身星の性質は何か？また、これは大質量赤超巨星の予想される性質と一致するか？
• RQ2 観測された赤外線過剰と準周期的変動の原因は何か？これは脈動駆動によるダストサイクルによって説明可能か？
• RQ3 前身星の質量放出率と周囲星間物質の密度は何か？通常のRSGと比較するとどうか？
• RQ4 SEDにおける波長依存の変動は、単に星の変動ではなく、時間変化するダスト光学的厚さによって説明可能か？
• RQ5 質量が大きく遮蔽のない連星同伴星が、観測された放射と減光の代替説明として妥当か？

主な発見

• SN 2023ixfの前身星は、$\log(L/L_\odot) = 5.10 \pm 0.02$および$T_{\text{eff}} = 3343 \pm 27\,\text{K}$を示す大質量赤超巨星であり、$18.1_{-1.2}^{+0.7}\,\mathrm{M}_{\odot}$の主系列後星と整合的である。
• 前身星は$1\,\mu\text{m}$における$\tau = 2.83 \pm 0.03$（$A_V = 10.28 \pm 0.11$ mag）のダストエンベロープに強く遮蔽されており、爆発前の高質量放出率$(3.58 \pm 0.15) \times 10^{-4}\,\mathrm{M}_{\odot}\,\text{yr}^{-1}$を示している。
• 周囲星間物質の密度は$(4.55 \pm 0.20) \times 10^{-15}\,\text{g}\,\text{cm}^{-3}$であり、最終脈動段階での放出に一致している。
• ダスト光学的厚さ（$\tau$）と光度の同期的変動が強く支持されており、径方向脈動によって駆動される周期的ダスト蒸発と凝縮が示唆されている。
• 観測された変動の振幅-波長関係は、単に星の変動ではなく、時間変化する$\tau$を含むモデルによって最もよく再現されており、動的ダストプロセスが関与していることを示している。
• 質量$> 7.1\,\mathrm{M}_{\odot}$の遮蔽のない連星同伴星は、フォトメトリーのデータに基づき除外され、単一の大質量RSG前身星の存在が支持されている。