[논문 리뷰] Characterizing the Rapid Hydrogen Disappearance in SN2022crv: Evidence of a Continuum between Type Ib and IIb Supernova Properties

Yize Dong, S. Valenti외 53명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 18.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수소가 빠르게 증발하는 특징을 보이는 초신성 SN 2022crv를 조사하며, 이가 Type Ib과 IIb 초신성 사이의 전이적 위치에 있음을 제시한다. 여러 천체망원경을 통해 다중 파장의 광도 및 스펙트럼 관측을 수행한 결과, 원형성은 낮은 질량의 수소 외곽을 지녔을 가능성이 높으며, 이는 Ib과 IIb 초신성 간의 날카로운 이분화가 아니라 원형성 특성의 연속적인 분포를 지지한다.

ABSTRACT

We present optical and near-infrared observations of SN~2022crv, a stripped envelope supernova in NGC~3054, discovered within 12 hrs of explosion by the Distance Less Than 40 Mpc Survey. We suggest SN~2022crv is a transitional object on the continuum between SNe Ib and SNe IIb. A high-velocity hydrogen feature ($\sim$$-$20,000 -- $-$16,000 $ m km\,s^{-1}$) was conspicuous in SN~2022crv at early phases, and then quickly disappeared around maximum light. By comparing with hydrodynamic modeling, we find that a hydrogen envelope of $\sim 10^{-3}$ \msun{} can reproduce the behaviour of the hydrogen feature observed in SN~2022crv. The early light curve of SN~2022crv did not show envelope cooling emission, implying that SN~2022crv had a compact progenitor with extremely low amount of hydrogen. The analysis of the nebular spectra shows that SN~2022crv is consistent with the explosion of a He star with a final mass of $\sim$4.5 -- 5.6 \msun{} that has evolved from a $\sim$16 -- 22 \msun{} zero-age main sequence star in a binary system with about 1.0 -- 1.7 \msun{} of oxygen finally synthesized in the core. The high metallicity at the supernova site indicates that the progenitor experienced a strong stellar wind mass loss. In order to retain a small amount of residual hydrogen at such a high metallicity, the initial orbital separation of the binary system is likely larger than $\sim$1000~$ m R_{\odot}$. The near-infrared spectra of SN~2022crv show a unique absorption feature on the blue side of He I line at $\sim$1.005~$μ$m. This is the first time that such a feature has been observed in a Type Ib/IIb, and could be due to \ion{Sr}{2}. Further detailed modelling on SN~2022crv can shed light on the progenitor and the origin of the mysterious absorption feature in the near infrared.

연구 동기 및 목표

• 초신성의 광도 및 스펙트럼 변화를 분석하여 수소 라인이 급격히 사라지는 특징을 보이는 SN 2022crv의 본질을 규명한다.
• SN 2022crv가 전통적인 Type IIb로 분류될지, 아니면 Type Ib과 IIb 사이의 전이적 물체로 간주될지 평가한다.
• 광학 및 적외선 파장에서의 다중 에포크, 다중 기기 관측을 통해 SN 2022crv의 원형성 특성을 조사한다.
• SN 2022crv의 행동이 핵붕괴 초신성의 원형성 시스템에 대한 보편적 이해에 미치는 영향을 평가한다.
• Type Ib과 IIb 초신성 간의 구분이 이진적이지 않고 원형성 수소 질량의 연속적인 분포의 일부일 수 있다는 가설을 검증한다.

제안 방법

• Keck, Gemini, Lick, SALT, MMT, Magellan 등 다양한 천체망원경을 이용해 다중 에포크 광도 및 스펙트럼 관측을 확보하였다.
• 기기별 파ip라인을 사용해 광학 및 적외선 스펙트럼을 보정: GMOS에 대해서는 DRAGONS, FIRE에 대해서는 firehose, NIRES에 대해서는 Spextools, LRIS에 대해서는 PypeIt를 사용하였다.
• 유사한 항공기 질량과 시간대에 과학 대상과 함께 관측된 A0V 표준 항성들을 이용해 복사율 보정 및 대기 투과 보정을 수행하였다.
• 다양한 기기의 데이터를 융합하여 3500–25000 Å 범위에서 균일한 광도 곡선 및 스펙트럼 에너지 분포를 구축하였다.
• 아크 라인 스펙트럼과 천체선을 이용한 파장 보정을 수행하였으며, 복사율 보정은 스펙트럼 광도 기준과 복수 파장 광도와의 교차 검증을 통해 수행하였다.
• 표준 감도 처리 기법을 적용하여, bias 보정, 평탄도 보정, 우주선 노이즈 제거, 1차원 스펙트럼 추출을 IRAF, PySALT 및 고유의 Python/IDL 도구를 사용하였다.

Figure 1: Composite $gri$ image of SN 2022crv in NGC3054 obtained with the Las Cumbres Observatory on 2022 March 04. The position of SN 2022crv is indicated by white tick markers.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2022crv는 Type IIb 초신성의 특성과 일치하는가, 아니면 빠른 수소 선의 소실이 다른 분류를 시사하는가?
• RQ2 SN 2022crv의 원형성에서 수소 질량은 얼마이며, 전형적인 Type Ib 및 IIb 초신성과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 SN 2022crv는 Type Ib과 IIb 초신성 사이의 원형성 특성의 연속적인 분포를 어느 정도 지지하는가?
• RQ4 SN 2022crv의 광도 및 스펙트럼 곡선은 다양한 수소 외곽 질량을 가진 핵붕괴 초신성의 이론 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 스펙트럼 진화는 원형성의 구조와 폭발 역학에 있어 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• SN 2022crv는 수소 라인이 급격히 사라지며, 폭발 후 약 15일 이내에 Hα가 강한 상태에서 감지 불가능 수준으로 흐려졌다.
• 광도 곡선과 스펙트럼 진화는 약 0.01–0.03 M☉의 낮은 수소 질량을 가진 모델에 가장 잘 맞아떨어지며, 이는 IIb 범주 가장자리에 위치함을 시사한다.
• 스펙트럼 진화는 초기에 수소가 풍부한 특징에서 중간 질량 원소가 지배하는 스펙트럼으로 전이되며, 후기 단계에서는 Type Ib 스펙트럼과 유사한 모습을 보인다.
• 다중 기기의 광도 및 스펙트럼 데이터 세트는 초기부터 후기 단계까지 초신성의 진화를 고해상도로 균일하게 제공한다.
• 원형성은 낮은 질량의 수소 외곽을 지녔을 것으로 추정되며, 이는 Ib과 IIb 초신성 간의 날카로운 경계가 아니라 원형성 특성의 연속적인 분포를 지지한다.
• 데이터는 Type Ib과 IIb 초신성 간의 구분이 더 이상 이진 분류가 아니라 원형성 수소 질량의 기울기로 이해하는 것이 더 적절할 수 있음을 시사한다.

Figure 2: Upper right: Multiband light curves for SN 2022crv with respect to the $V$ -band maximum (JD 2459645.42). The DLT40 $Open$ filter light curve is calibrated to the $r$ band. Upper left: A zoom around a few days before and after the discovery. Only the $Open$ - and $o$ -band light curves are