[논문 리뷰] Early Spectroscopy and Dense Circumstellar Medium Interaction in SN 2023ixf

K. Azalee Bostroem, Jeniveve Pearson외 54명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 70인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초신성 SN 2023ixf의 초기 스펙트로스코픽 관측을 통해 밀도가 높은 은하주변매질(CSM)과의 상호작용을 규명한다. He I, H I, C III의 강한 발광선이 관측되어 CSM 상호작용의 증거를 보이며, 발광선의 빠른 진화와 고속도의 폭발 물질이 드러나, 별의 초신성 폭발 이전에 질량을 손실했음을 시사한다. 이는 밝은 파랑 변량 또는 빨간 초거성 단계에서 발생한 것으로 보인다.

ABSTRACT

We present the optical spectroscopic evolution of SN~2023ixf seen in sub-night cadence spectra from 1.18 to 14 days after explosion. We identify high-ionization emission features, signatures of interaction with material surrounding the progenitor star, that fade over the first 7 days, with rapid evolution between spectra observed within the same night. We compare the emission lines present and their relative strength to those of other supernovae with early interaction, finding a close match to SN~2020pni and SN~2017ahn in the first spectrum and SN~2014G at later epochs. To physically interpret our observations we compare them to CMFGEN models with confined, dense circumstellar material around a red supergiant progenitor from the literature. We find that very few models reproduce the blended \NC{} emission lines observed in the first few spectra and their rapid disappearance thereafter, making this a unique diagnostic. From the best models, we find a mass-loss rate of $10^{-3}-10^{-2}$ \mlunit{}, which far exceeds the mass-loss rate for any steady wind, especially for a red supergiant in the initial mass range of the detected progenitor. These mass-loss rates are, however, similar to rates inferred for other supernovae with early circumstellar interaction. Using the phase when the narrow emission features disappear, we calculate an outer dense radius of circumstellar material $R_\mathrm{CSM, out}\sim5 imes10^{14}~\mathrm{cm}$ and a mean circumstellar material density of $ρ=5.6 imes10^{-14}~\mathrm{g\,cm^{-3}}$. This is consistent with the lower limit on the outer radius of the circumstellar material we calculate from the peak \Halpha{} emission flux, $R_ ext{CSM, out}\gtrsim9 imes10^{13}~\mathrm{cm}$.

연구 동기 및 목표

• 초신성 SN 2023ixf 주변의 은하주변매질(CSM)의 성질을 초기 시기 스펙트럼 분석을 통해 조사한다.
• 발광선 분석을 통해 폭발 물질과 CSM의 운동학적 특성과 이온화 상태를 규명한다.
• CSM의 밀도 및 속도 분포를 분석하여 별의 기원 성질에 대한 질량 손실 역사를 규명한다.
• CSM 상호작용이 초신성의 초기 광도 곡선과 스펙트럼 진화에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 초신성 폭발 후 1.36일 이내에 여러 지상 기반 천체망원경을 사용하여 SN 2023ixf의 고주기적 가시광선 스펙트럼을 확보하였다.
• 3800–7300 Å 범위에서 He I, H I, C III, N III, N IV, O III, C IV의 발광선을 확인하였다.
• 폭발 물질과 CSM의 속도를 추론하기 위해 발광선의 도플러 시프트와 FWHM를 측정하였다.
• 선 비율과 이온화 상태를 사용하여 CSM의 이온화 구조와 밀도를 추론하였다.
• Type IIn 초신성의 CSM 상호작용 이론 모델과 선형형태와 진화를 비교하였다.
• 폭발 후 15일 동안 스펙트럼 진화를 추적하여 이온화 상태와 속도 구조의 변화를 평가하였다.

Figure 1.1: The evolution of the optical spectra of SN 2023ixf over the first $\sim 5.2$ days, with the earliest epoch at the top of the figure. Spectra are color coded by the instrument used to observe them, normalized by a black body fit, and corrected for redshift. Emission lines are identified a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2023ixf 주변의 은하주변매질(CSM)의 속도 및 밀도 구조는 어떠한가?
• RQ2 초기 시기의 발광선은 별의 질량 손실 역사를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 초기 가시광선 스펙트럼은 폭발 물질과 밀도가 높은 CSM 간의 상호작용에 의해 얼마나 영향을 받는가?
• RQ4 CSM 내의 이온화 조건은 무엇이며, 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 관측된 선형형태는 밀도가 높고 덩어리로 이루어진 CSM에서의 복사계면 충격 상호작용 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• He I, H I, C III, N III의 발광선이 폭발 후 1.36일 만에 관측되어 조기에 CSM 상호작용이 발생했음을 시사한다.
• He I 4437 Å 선의 FWHM가 약 10,000 km/s에 도달하여 고속도 폭발 물질 또는 밀도가 높고 빠르게 움직이는 CSM를 시사한다.
• 4640–4650 Å 범위의 다수의 C III 및 N III 선은 비대칭적 형태를 보이며, 복잡한 CSM 구조 또는 다중 성분을 시사한다.
• 4685 Å에서의 강한 He II 선과 5006 Å에서의 O III 선은 CSM 내 고도의 이온화 상태를 나타내며, 지속적인 충격加열과 일치한다.
• 5801 및 5811 Å에서 관측된 C IV 선은 딱딱한 복사에 의한 이온화를 암시하며, 밀도가 높고 광학적으로 두꺼운 CSM를 시사한다.
• 폭발 후 15일 간의 스펙트럼 진화는 선의 넓어짐 증가와 상대 강도 변화를 보이며, 지속적인 상호작용과 변화하는 이온화 상태를 나타낸다.

Figure 1.2: Continuation of Figure 1.1 showing the evolution of the optical spectra of SN 2023ixf from day 5.2 to 14.5 with the earliest epoch at the top of the figure. Over the first 7 days, the spectra evolve from showing strong, narrow emission lines from high-ionization species to a nearly featu