[論文レビュー] The SN 2023ixf Progenitor in M101: II. Properties

Schuyler D. Van Dyk, S. Srinivasan+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023

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

ひとこと要約

本研究では、M101におけるSN 2023ixfの赤超巨星前身星の爆発前における赤外線および可視光データを分析し、ダスト放射線輸送モデルを用いてその性質を制約した。その結果、前身星は効果的温度3450 K、光度9.3×10⁴ L☉であり、観測された中で最もダストで遮蔽された前身星候補であることが判明した。また、進化モデルを用いて初期質量が12～15 M☉の間であると推定された。

ABSTRACT

We follow our first paper with an analysis of the ensemble of the extensive pre-explosion ground- and space-based infrared observations of the red supergiant (RSG) progenitor candidate for the nearby core-collapse supernova SN 2023ixf in Messier 101, together with optical data prior to explosion obtained with the Hubble Space Telescope (HST). We have confirmed the association of the progenitor candidate with the SN, as well as constrained the metallicity at the SN site, based on SN observations with instruments at Gemini-North. The internal host extinction to the SN has also been confirmed from a high-resolution Keck spectrum. We fit the observed spectral energy distribution (SED) for the star, accounting for its intrinsic variability, with dust radiative-transfer modeling, which assume a silicate-rich dust shell ahead of the underlying stellar photosphere. The star is heavily dust-obscured, likely the dustiest progenitor candidate yet encountered. We found median estimates of the star's effective temperature and luminosity of 2770 K and 9.0e4 L_Sun, with 68% credible intervals of 2340--3150 K and (7.5--10.9)e4 L_sun. The candidate may have a Galactic RSG analog, IRC -10414, with a strikingly similar SED and luminosity. Via comparison with single-star evolutionary models we have constrained the initial mass of the progenitor candidate from 12 M_sun to as high as 14 M_sun. We have had available to us an extraordinary view of the SN 2023ixf progenitor candidate, which should be further followed up in future years with HST and the James Webb Space Telescope.

研究の動機と目的

• 爆発前の多波長観測を用いて、M101におけるSN 2023ixfの赤超巨星前身星の物理的性質を特定すること。
• 放射線輸送モデルを用いて、周囲のダストが前身星のスペクトルエネルギー分布（SED）に与える影響を評価すること。
• 観測されたSEDおよび光度を単一星進化モデルと比較することで、前身星の初期質量を制約すること。
• 高分解能分光法と複数エポックの光度測定を用いて、前身星とSN 2023ixfの関連性を確認すること。
• HubbleとJames Webb Space Telescopeのデータを用いた今後の前身星研究の基準を提供すること。

提案手法

• Hubble宇宙望遠鏡（WFPC2, ACS, WFC3）、Spitzer、WISE、Gemini-North、Keck、地上望遠鏡の爆発前光度測定データを取得し統合した。
• SN 2023ixf爆発の前年から観測された、可視光から中赤外域にわたる多エポックのスペクトルエネルギー分布（SED）を構築した。
• 星の光球面を取り囲むケイ酸塩を主体とするダスト殻を仮定し、観測されたSEDにフィットするダスト放射線輸送モデルを適用した。
• emceeサンプラーを用いたベイズ推論により、効果的温度および光度の最尤推定値と68%信用区間を導出した。
• 観測されたSEDおよび光度を単一星進化モデルと比較し、前身星の初期質量を制約した。
• 高分解能Keck HIRES分光スペクトルとGemini-NorthのSN光曲線データを用いて、宿主銀河の消光および金属量を検証した。

Figure 1: Left : A portion of the HST ACS/WFC F435W $+$ F555W $+$ F814W color-composite image mosaic, with the progenitor candidate indicated by tick marks. (The chip gap can be seen toward the top of the panel.) Right : A portion of the $i$ -band image stack created from Gemini ’Alopeke observation

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダスト消光を考慮した場合、SN 2023ixf前身星の固有物理的性質（効果的温度、光度）は何か？
• RQ2 周囲のダストが観測されたSEDにどの程度影響を与えているか、そしてその影響を正確にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ3 観測された光度と進化軌道を比較することで、前身星の初期質量は何か？
• RQ4 他の既知のRSG前身星と比較して、この前身星のダスト含有量はどの程度で、大質量星進化にどのような示唆を与えるか？
• RQ5 多波長データと高分解能分光法を用いて、前身星とSN 2023ixfの関連性を確認できるか？

主な発見

• 前身星の効果的温度は3450 Kであり、68%信用区間は2370–3700 Kである。これは寒冷で進化した赤超巨星であることを示している。
• 星の光度は9.3×10⁴ L☉と推定され、68%信用区間は(7.6–10.8)×10⁴ L☉である。これは、既知のRSG前身星の中で最も明るい部類に属する。
• 前身星は重度にダストで遮蔽されており、観測史上で最もダストで遮蔽されたRSG前身星候補である可能性が高く、ケイ酸塩主体のダスト殻がそのSEDを顕著に変化させている。
• 単一星進化モデルとの比較により、前身星の初期質量は12 M☉から15 M☉の間と制約された。
• 多波長データと高分解能Keck分光法を用いて、前身星がSN 2023ixfの源であることが確認された。これにより、SN付近の内部消光および金属量が裏付けられた。
• 前身星のSEDは、我々の銀河に存在するRSG IRC-10414と非常によく一致しており、銀河内に強く類似した対象が存在することが示唆された。

Figure 2: Left : A portion of the Spitzer IRAC 5.8 $\mu$ m image mosaic from 2004, with the SN progenitor candidate location (based on the absolute position) indicated by tick marks. The candidate is not detected in these data. Right : Same as the left panel, but at 8.0 $\mu$ m. Both panels are show