[논문 리뷰] Circumstellar Medium Constraints on the Environment of Two Nearby Type Ia Supernovae: SN 2017cbv and SN 2020nlb

David J. Sand, Sumit K. Sarbadhicary외 24명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 25.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 192인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 두 개의 근접한 Ia 초신성인 SN 2017cbv와 SN 2020nlb에 대한 깊은 찬드라 X선 관측을 수행하여 폭발 후 약 16–18일경에 X선 방출이 ≲5.4×10³⁷ erg s⁻¹ 이하로 관측되지 않았음을 발견하였다. 이러한 한계는 활성성 매질(CSM)의 질량 손실률(Ṁ < 7.2×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹)과 낮은 수밀도(nCSM < 36 cm⁻³)를 제약하며, 공진성 항성 또는 상당한 풍속 질량 손실를 포함하는 대부분의 단일형성자 원천 시나리오를 배제한다.

ABSTRACT

We present deep Chandra X-ray observations of two nearby Type Ia supernovae, SN 2017cbv and SN 2020nlb, which reveal no X-ray emission down to a luminosity $L_X$$\lesssim$5.3$ imes$10$^{37}$ and $\lesssim$5.4$ imes$10$^{37}$ erg s$^{-1}$ (0.3--10 keV), respectively, at $\sim$16--18 days after the explosion. With these limits, we constrain the pre-explosion mass-loss rate of the progenitor system to be $\dot{M}$$<$7.2$ imes$10$^{-9}$ and $<$9.7$ imes$10$^{-9}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ for each (at a wind velocity $v_w$=100 km s$^{-1}$ and a radius of $R$$\approx$10$^{16}$ cm), assuming any X-ray emission would originate from inverse Compton emission from optical photons up-scattered by the supernova shock. If the supernova environment was a constant density medium, we find a number density limit of n$_{CSM}$$<$36 and $<$65 cm$^{-3}$, respectively. These X-ray limits rule out all plausible symbiotic progenitor systems, as well as large swathes of parameter space associated with the single degenerate scenario, such as mass loss at the outer Lagrange point and accretion winds. We also present late-time optical spectroscopy of SN 2020nlb, and set strong limits on any swept up hydrogen ($L_{H\alpha}$$<$2.7$ imes$10$^{37}$ ergs s$^{-1}$) and helium ($L_{He, \lambda 6678}$$<$2.7$ imes$10$^{37}$ ergs s$^{-1}$) from a nondegenerate companion, corresponding to $M_{H}$$\lesssim$0.7--2$ imes$10$^{-3}$ M$_{\odot}$ and $M_{He}$$\lesssim$4$ imes$10$^{-3}$ M$_{\odot}$. Radio observations of SN 2020nlb at 14.6 days after explosion also yield a non-detection, ruling out most plausible symbiotic progenitor systems. While we have doubled the sample of normal type Ia supernovae with deep X-ray limits, more observations are needed to sample the full range of luminosities and sub-types of these explosions, and set statistical constraints on their circumbinary environments.

연구 동기 및 목표

• 논문은 깊은 X선 관측을 통해 두 개의 근접한 Ia 초신성의 활성성 매질 환경을 제약하고자 한다.
• 비형성자 동반성에서 질량 손실이 일어나는 것을 포함한 단일형성자(SD) 원천 시나리오의 타당성을 시험하고자 한다.
• 초신성 폭발에 의해 가열된 전자에 의한 광학 광자들의 역컴프턴 산란으로 인한 X선 방출이 탐지 가능한지 조사하고자 한다.
• X선 자료를 늦은 시기의 광학 및 전파 관측과 융합하여 원천 시스템에 대한 다파장 제약을 제공하고자 한다.
• 깊은 X선 관측된 Ia 초신성의 샘플을 확장함으로써 Ia 초신성 원천 다양성에 대한 통계적 이해를 향상시키는 것이 목적이다.

제안 방법

• SN 2017cbv와 SN 2020nlb에 대해 폭발 후 약 16–18일경에 깊은 찬드라 X선 관측을 수행하였다.
• X선 광도 한계는 Margutti 등(2012)의 역컴프턴 방출 모델을 사용하여 유도되었으며, 초신성 충격에서 가열된 상대론적 전자가 광학 광자를 상향 스캐터링하는 것을 가정하였다.
• 활성성 매질(CSM)은 일정 밀도의 은하간 매질 유사 매질 또는 ρCSM = Ṁ/(4πR²vw)로 정의되는 풍속 유사 매질로 모델링되었다.
• 관측된 X선 상한과 이론적 방출 모델을 비교하여 질량 손실률(Ṁ)과 수밀도(nCSM)에 대한 한계를 유도하였다.
• SN 2020nlb의 늦은 시기 광학 스펙트로스코피를 통해 축적된 수소와 헬륨의 좁은 Hα 및 He λ6678 선을 탐색하였다.
• 폭발 후 약 14.6일경에 VLA를 이용한 전파 관측을 통해 밀도가 높은 CSM의 존재를 추가로 제약하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폭발 후 약 16–18일경에 SN 2017cbv와 SN 2020nlb의 활성성 매질에서 X선 광도의 상한은 얼마인가?
• RQ2 이러한 X선 한계는 원천 시스템의 폭발 전 질량 손실률과 활성성 매질의 수밀도에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 X선, 광학 및 전파 자료를 기반으로 단일형성자 시나리오에서 비형성자 동반성의 존재를 배제할 수 있는가?
• RQ4 X선 및 다파장 제약은 이러한 Ia 초신성에 대해 공진성 원천 시스템을 어느 정도 배제하는가?
• RQ5 이 두 Ia 초신성의 결과는 이전의 SN 2011fe와 SN 2014J에 대한 X선 한계와 비교하여 Ia 초신성 원천 집단을 제약하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SN 2017cbv와 SN 2020nlb에서 X선 방출이 탐지되지 않았으며, 각각 0.3–10 keV 광도 상한이 LX ≲ 5.3×10³⁷ erg s⁻¹ 및 ≲5.4×10³⁷ erg s⁻¹이었다.
• 일정 밀도의 은하간 매질 유사 매질을 가정할 경우 활성성 매질의 수밀도는 각각 nCSM < 36 cm⁻³ 및 < 65 cm⁻³로 제약되었다.
• 풍속 유사 CSM를 가정할 경우 폭발 전 질량 손실률은 각각 Ṁ < 7.2×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹ 및 < 9.7×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹ (vw = 100 km s⁻¹ 일 때)로 제약되었다.
• 이러한 X선 한계는 모든 타당한 공진성 원천 시나리오와 외부 라그랑주 지점에서의 질량 손실 또는 응축 풍속을 포함하는 단일형성자 시나리오의 대부분의 매개변수 영역을 배제한다.
• SN 2020nlb의 늦은 시기 광학 스펙트로스코피는 축적된 수소(LHα < 2.7×10³⁷ erg s⁻¹)와 헬륨(LHe,λ6678 < 2.7×10³⁷ erg s⁻¹)에 대한 강력한 상한을 제공하였으며, 이는 각각 MH ≲ 0.7–2×10⁻³ M⊙ 및 MHe ≲ 4×10⁻³ M⊙에 해당한다.
• 폭발 후 14.6일경의 전파 관측에서도 비탐지 결과를 얻었으며, 이는 X선 결과와 일치하여 대부분의 타당한 공진성 원천 시나리오를 추가로 배제하였다.