[논문 리뷰] Evidence for Extended Hydrogen-Poor CSM in the Three-Peaked Light Curve of Stripped Envelope Ib Supernova

Yossef Zenati, Qinan Wang외 41명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 14.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 산란물질과의 상호작용으로 인해 발생하는 삼봉대 광도곡선을 보이는 희귀한 타입 Ib 초신성 SN 2019tsf를 제시한다. 이는 확장된 수소가 없는 환경주변물질(CSM)과의 상호작용에 의해 발생한다. 저자들은 제3의 연성으로 인한 왜지된 디스크 모델을 제안하여 비대칭적이고 다중봉대 광도곡선과 후기 시점의 광학적으로 두꺼운 전파 방출을 설명하며, 탈피막을 가진 초신성의 이중성 기반 원천 시나리오에 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

We present multi-band ATLAS photometry for SN 2019tsf, a stripped-envelope Type Ib supernova (SESN). The SN shows a triple-peaked light curve and a late (re-)brightening, making it unique among stripped-envelope systems. The re-brightening observations represent the latest photometric measurements of a multi-peaked Type Ib SN to date. As late-time photometry and spectroscopy suggest no hydrogen, the potential circumstellar material (CSM) must be H-poor. Moreover, late (>150 days) spectra show no signs of narrow emission lines, further disfavouring CSM interaction. On the contrary, an extended CSM structure is seen through a follow-up radio campaign with Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), indicating a source of bright optically thick radio emission at late times, which is highly unusual among H-poor SESNe. We attribute this phenomenology to an interaction of the supernova ejecta with spherically-asymmetric CSM, potentially disk-like, and we present several models that can potentially explain the origin of this rare Type Ib supernova. The warped disc model paints a novel picture, where the tertiary companion perturbs the progenitors CSM, that can explain the multi-peaked light curves of SNe, and here we apply it to SN 2019tsf. This SN 2019tsf is likely a member of a new sub-class of Type Ib SNe and among the recently discovered class of SNe that undergo mass transfer at the moment of explosion

연구 동기 및 목표

• SN 2019tsf의 이례적인 삼봉대 광도곡선을 설명하기 위해, 수소가 없고 후기 스펙트럼에서 명백한 CSM 상호작용 신호가 없는 타입 Ib 초신성의 원인을 규명한다.
• 후기 시점 재발광과 광학적으로 두꺼운 전파 방출을 일으키는 연장된 수소가 없는 환경주변물질(CSM)의 기원을 조사한다.
• 비대칭적 CSM 구조, 예를 들어 왜지된 디스크와 같은 것이 다중봉대 광도 변화와 전파 형태를 어떻게 재현할 수 있는지 테스트한다.
• 특히 제3의 연성으로 인한 상호작용이 탈피막 초신성의 CSM 및 폭발 역학을 어떻게 형성하는지 그 역할을 평가한다.
• 다중 파장 관측을 통해 원천 시스템을 제약한다. 이는 후기 광도 측정, 스펙트럼 분석 및 전파 데이터를 포함한다.

제안 방법

• ATLAS와 ZTF의 다중 대역 광도 측정을 사용하여 SN 2019tsf의 광도 변화에서 세 개의 명백한 피크를 추적하고 광도곡선을 구성하였다.
• 후기 스펙트럼 측정(>142일)은 수소와 좁은 방출선의 부재를 확인하여 CSM가 수소가 없고, 상호작용이 비대칭적이거나 가림을 받을 가능성이 있음을 시사한다.
• 칼 빌런지 키 잰스키 매우 큰 어레이(VLA)를 이용한 전파 관측에서 후기 시점에 광학적으로 두꺼운 방출이 관측되었으며, 이는 R < 10^15 cm 이내에 밀도가 높고 밀도가 높은 CSM 존재를 제약한다.
• 제3의 연성이 원천의 CSM를 왜지된 디스크로 유도하는 중력적 왜곡이 밀도 증가를 유도하고 광도곡선을 조절하는 비대칭 CSM를 설명하기 위해 왜지된 디스크 모델을 개발하였다.
• 자기모멘트가 강한 모델은 광도곡선 피팅을 통해 자기장(B ∼ 2×10^14 G)과 자전 주기(P_spin ∼ 22 ms)를 추정하기 위해 테스트되었으며, CSM 상호작용 여부에 따라 각각 분석되었다.
• 모델 비교에는 순수 자기모멘트 모델, CSM 상호작용 모델, 자기모멘트-CSD 하이브리드 모델이 포함되었으며, 광도곡선 피팅과 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2019tsf의 삼봉대 광도곡선을 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가? 이는 수소가 없고 강한 CSM 상호작용 특징이 없는 타입 Ib 초신성이다.
• RQ2 후기 시점 광학적으로 두꺼운 전파 방출에서 유추되는 연장된 수소가 없는 환경주변물질(CSM)의 성격과 기원은 무엇인가?
• RQ3 왜지된 디스크와 같은 비대칭 CSM 구조는 강한 스펙트럼 신호 없이도 관측된 다중봉대 광도 변화를 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ4 자기모멘트 모델(또는 CSM 상호작용 포함 여부에 따라)이 SN 2019tsf의 전체 광도곡선과 전파 자료를 얼마나 잘 재현할 수 있는가?
• RQ5 이중성 상호작용, 특히 제3의 연성이 탈피막 초신성의 CSM 및 폭발 역학을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• SN 2019tsf는 세 개의 명백한 빛의 피크를 보이며, 첫 번째 검출 이후 각각 약 35일과 약 90일에 두 번째 및 세 번째 피크가 관측된다.
• 후기 스펙트럼 측정(>142일)은 수소와 좁은 방출선의 부재를 확인하여 CSM가 수소가 없고, 상호작용이 비대칭적이거나 가림을 받을 가능성이 있음을 시사한다.
• VLA 전파 관측은 후기 시점에 밝고 광학적으로 두꺼운 방출을 보이며, 이는 수소가 없는 탈피막 초신성에서 드문 특성으로, R < 10^15 cm 이내에 밀도가 높은 CSM 존재를 시사한다.
• 광도곡선을 지탱하기 위해 필요한 56Ni 질량은 약 0.07–0.12 M⊙로 추정되며, 일반적인 타입 Ib 초신성와 일치하지만, 광도곡선 형태는 추가적인 에너지 주입을 시사한다.
• 자기장 B ∼ 2×10^14 G, 자전 주기 P_spin ∼ 22 ms인 자기모멘트 모델은 광도곡선에 잘 맞는다. 그러나 CSM 상호작용을 포함한 하이브리드 모델이 다중봉대 구조를 더 잘 설명한다.
• 제3의 연성이 원천의 CSM를 왜지된 디스크로 유도하는 모델이 다중봉대 광도곡선과 비대칭 CSM를 가장 잘 설명하며, 연장된 수소가 없는 CSM의 물리적 기원을 제공한다.