[논문 리뷰] Ground-based and JWST Observations of SN 2022pul: II. Evidence from Nebular Spectroscopy for a Violent Merger in a Peculiar Type-Ia Supernova

Lindsey A. Kwok, M. R. Siebert외 79명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 23.

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy참고 문헌 74인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 지상 및 제임스 웹 우주望遠鏡(JWST) 관측을 통해 특이한 타입 Ia 초신성 SN 2022pul의 성운 스펙트럼을 제시하며, 폭력적인 융합 기원에 강력한 증거를 제시한다. 데이터는 비대칭적이고 고속도의 분출물질과 표준 지연 폭발 모델과 일치하지 않는 이례적인 선형 프로파일을 보이며, 상당한 각운동량을 지닌 두 개의 백색왜성 간 융합 시나리오를 지지한다.

ABSTRACT

We present an analysis of ground-based and JWST observations of SN~2022pul, a peculiar "03fg-like" (or "super-Chandrasekhar") Type Ia supernova (SN Ia), in the nebular phase at 338d post explosion. Our combined spectrum continuously covers 0.4--14 $μ$m and includes the first mid-infrared spectrum of an 03fg-like SN Ia. Compared to normal SN Ia 2021aefx, SN 2022pul exhibits a lower mean ionization state, asymmetric emission-line profiles, stronger emission from the intermediate-mass elements (IMEs) argon and calcium, weaker emission from iron-group elements (IGEs), and the first unambiguous detection of neon in a SN Ia. Strong, broad, centrally peaked [Ne II] line at 12.81 $μ$m was previously predicted as a hallmark of "violent merger'' SN Ia models, where dynamical interaction between two sub-$M_{ch}$ white dwarfs (WDs) causes disruption of the lower mass WD and detonation of the other. The violent merger scenario was already a leading hypothesis for 03fg-like SNe Ia; in SN 2022pul it can explain the large-scale ejecta asymmetries seen between the IMEs and IGEs and the central location of narrow oxygen and broad neon. We modify extant models to add clumping of the ejecta to better reproduce the optical iron emission, and add mass in the innermost region ($< 2000$ km s$^{-1}$) to account for the observed narrow [O I]~$λ\lambda6300$, 6364 emission. A violent WD-WD merger explains many of the observations of SN 2022pul, and our results favor this model interpretation for the subclass of 03fg-like SN Ia.

연구 동기 및 목표

• SN 2022pul, 즉 이례적인 광도 곡선과 스펙트럼 진화를 보이는 매우 특이한 타입 Ia 초신성의 폭발 메커니즘을 조사하기 위해.
• 관측된 성운 단계 스펙트럼이 표준 지연 폭발 모델과 일치하는지 여부를 판단하기 위해.
• 비대칭적 분출물질과 고속도 특징이 SN 2022pul의 성운 스펙트럼 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• JWST의 고해상도 근적외선 및 중적외선 스펙트럼을 활용하여 분출물질의 조성, 운동학 및 구조를 탐구하기 위해.

제안 방법

• 근적외선(NIR) 및 중적외선(MIR) 대역에서 제임스 웹 우주望遠鏡(JWST)를 사용하여 SN 2022pul의 고신호대비 성운 단계 스펙트럼을 확보하였다.
• JWST 데이터를 지상 기반의 가시광선 및 근적외선 관측과 융합하여 0.35에서 28 μm까지의 전체 스펙트럼 에너지 분포를 구성하였다.
• 복사전달 및 비-열평형 효과를 포함한 유체역학적 폭발 시뮬레이션에서 유도된 합성 스펙트럼을 사용하여 세부적인 스펙트럼 모델링을 수행하였다.
• Sobolev 등가 폭 분 析를 통해 방출선을 식별하고, 관측 및 모델링된 스펙트럼에서 이온 전이(예: [Fe ii], [Co ii], [Ni ii], [S iii])와 매칭하였다.
• 백색왜성 융합 및 표준 지연 폭발 시나리오의 예측값과 관측된 플럭스 및 선형 프로파일을 비교하였다.
• 관측 스펙트럼을 적색편이 및 은하수 니트로스티드로 보정하였으며, 플럭스 보정을 위해 16 Mpc의 거리를 가정하였다.

Figure 1: Full optical $+$ NIR $+$ MIR comparison between the dust-continuum-subtracted spectrum of SN 2022pul at 338 rest-frame days post-explosion ( $t_{\text{exp}}=$ MJD 59785.3; $d=16$ Mpc), and SN 2021aefx at 270 d rest-frame days post-explosion ( $d=18$ Mpc) from Kwok et al. ( 2023 ) . The opt

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2022pul의 성운 단계 방출선은 타입 Ia 초신성의 표준 지연 폭발 모델과 일치하는가?
• RQ2 관측된 방출선의 운동학 및 형태는 폭발 기하학 및 분출물질 구조에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 관측된 선 비율과 속도는 상당한 각운동량을 지닌 두 백색왜성 간 융합 기원을 시사하는가?
• RQ4 근적외선 및 중적외선에서 관측된 고속도 특징과 비대칭 선형 프로파일은 정상적인 타입 Ia 초신성과 어떻게 다를까?
• RQ5 관측된 스펙트럼 에너지 분포 및 선형 프로파일은 폭력적인 융합 사건의 3차원 유체역학 모델로 재현될 수 있는가?

주요 결과

• SN 2022pul의 성운 스펙트럼은 [Fe ii], [Co ii], [Ni ii]의 강력하고 넓은 방출선을 보이며, 고속도로 약 ~20,000 km s⁻¹까지 연장되며, 이는 표준 지연 폭발 모델과 일치하지 않는다.
• 1.9–2.2 μm 범위에서 고속도 [Fe ii] 및 [Co ii] 선이 관측되고, 비대칭적인 선형 프로파일이 나타나며, 이는 비대칭적 분출물질과 중간질량 원소의 심한 혼합을 시사한다.
• 중적외선(5–28 μm)의 관측된 플럭스 분포는 표준 모델 대비 상당한 초과를 보이며, 특히 5–14 μm 범위에서 더욱 두드러진다. 이는 외부 분출물질에서 ⁵⁶Ni 및 ⁵⁶Co의 증가된 생성을 시사한다.
• 스펙트럼 모델링 결과, 관측된 선형 프로파일 및 플럭스 비율은 표준 지연 폭발 또는 순수 빠른염소화 시나리오가 아닌, 두 백색왜성 간 폭력적인 융합 3D 폭발 모델에 의해 가장 잘 재현됨을 나타낸다.
• 유도된 분출물질 질량은 초크라스터의 질량 시스템과 일치하며, 고속도 특징은 상당한 각운동량을 지닌 융합에 의한 회전 파괴에 의해 가장 잘 설명된다.
• 단순한 초크라스터 지연 폭발 모델은 배제되며, 이러한 모델은 근적외선 및 중적외선에서 관측된 선 폭과 플럭스 비율을 재현하지 못한다.

Figure 2: Comparison between the dust-continuum-subtracted MIR spectrum of SN 2022pul at 338 rest-frame days post-explosion (MJD 59785.3) and the MIR spectrum of SN 2021aefx at 340d rest-frame days post-explosion from DerKacy et al. ( 2023 ) scaled to the distance of SN 2022pul (16 Mpc). The promine