[논문 리뷰] High resolution spectroscopy of SN~2023ixf's first week: Engulfing the Asymmetric Circumstellar Material

Nathan Smith, Jeniveve Pearson외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 13.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 8

한 줄 요약

논문은 발견 직후 첫 주간에 SN 2023ixf의 매일 고해상도 에셀 스펙트럼을 제시하며, 빠르게 진화하는 비대칭적 주변물질의 서명을 드러내고 CSM 범위를 약 20–30 AU로 제약한다. 좁은 선은 SN 광사진구가 비대칭 CSM을 흡수하면서 사라진다.

ABSTRACT

We present a series of high-resolution echelle spectra of SN~2023ixf in M101, obtained nightly during the first week or so after discovery using PEPSI on the LBT. NaID absorption in these spectra indicates a host reddening of $E(B-V)$=0.031~mag and a systemic velocity of $+$7~km~s$^{-1}$ relative to the average redshift of M101. Dramatic changes are seen in in the strength and shape of strong emission lines emitted by CSM, including HeII4686, CIV5801,5811, H$α$, and NIV7109,7123. In general, these narrow lines broaden to become intermediate-width lines before disappearing from the spectrum within a few days, indicating a limited extent to the dense CSM of around 20-30 AU (or $\la$10$^{14.7}$ cm). H$α$ persists in the spectrum for about a week as an intermediate-width emission line with P~Cyg absorption at 700-1300 km s$^{-1}$ arising in the post-shock shell of swept-up CSM. Early narrow emission lines are blueshifted and indicate an expansion speed in the pre-shock CSM of about 115 km s$^{-1}$, but with even broader emission in higher ionization lines. This is faster than the normal winds of red supergiants, suggesting some mode of eruptive mass loss from the progenitor or radiative acceleration of the CSM. A lack of narrow blueshifted absorption suggests that most of the CSM is not along our line of sight. This and several other clues indicate that the CSM of SN~2023ixf is significantly aspherical. We find that CSM lines disappear after a few days because the asymmetric CSM is engulfed by the SN photosphere.

연구 동기 및 목표

• SN 2023ixf의 즉각적인 주변 환경을 시간에 따른 고해상도 분광학으로 특성화한다.
• Poznanski 등(2012) 관계를 사용하여 호스트 적색편향과 시스템 속도를 결정하고 호스트 환경을 고정한다.
• 고해상도 분광에서 고 ionization 및 H 선의 진화를 추적하여 CSM 기하학 및 질량손실 이력을 추론한다.

제안 방법

• 爆炸 후 2–9일 간 LBT의 PEPSI를 이용한 야간 고해상도 에셀 스펙트럼 획득(R~50,000, 6 km s^-1).
• Na I D 동등폭을 측정하여 Poznanski 등(2012) 관계를 이용해 호스트 적색편향을 결정한다.
• He II 4686, C IV 5801/5811, N IV 7109/7123, Hα, He I 5876의 좁은 선과 중간 폭 선의 분해 및 진화를 추적한다.
• 전하 이온 산란 윙과 충격 후 냉각 신호를 비교하기 위해 Lorentzian/가우시안 피트로 선 프로파일을 빼서 차이를 비교한다.
• 선중심 이동 및 폭을 이용해 충전 전 CSM 속도(~115 km s^-1)와 충격 후 CDS 동역(약 500–1000 km s^-1)을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폭발 후 첫 주 동안 SN 2023ixf의 CSM 상호작용 서명의 특성과 시간尺度는 무엇인가?
• RQ2 CSM 기하학이 주로 비대칭적이며 이것이 선 프로파일과 그 진화에서 어떻게 나타나는가?
• RQ3 초기 고해상도 분광학으로 도출된 적색편향, 체계 속도, 원번 질량손실 이력에 대한 제약은 무엇인가?
• RQ4 고 ionization 선(He II, C IV, N IV)의 진동은 이온화 원천 및 CSM를 통한 충격의 진화와 어떻게 연관되는가?

주요 결과

• Na I D 인터스텔라 흡수는 호스트 적색편향 E(B-V) = 0.031 mag 및 체계 속도 +7 ± 1 km s^-1를 M101에 상대적으로 산정한다.
• 고 이온화의 좁은 선들(He II 4686, C IV 5801/5811, N IV 7109/7123)은 약 50–150 km s^-1만큼 청색 편이되며 3–4일 이내에 사라져 약 20–30 AU의 컴팩트한 고밀도 CSM을 나타낸다.
• Hα는 폭이 넓은 로렌츠 윙을 가진 좁은 구성에서 중간 폭의 P Cygni 프로파일로 대략 일주일 내에 명확히 진화하며, 최대 레드 윙 속도는 약 2000에서 약 1000 km s^-1로 감소한다.
• He II가 감소하고 He I 5876이 4–5일 사이에 강해져 포스트충격 가스의 냉각 및 재결합이 약 500–1000 km s^-1에서 일어나고 있음을 시사한다.
• 일관된 좁은 청색이동 흡수의 부재와 day ~7–8까지 CSM 선들이 사라지므로 대부분의 CSM이 SN 광사진구에 흡수되며 매우 비대칭적임을 시사한다.
• CSM 속도와 빠른 진화는 지속적 바람이 아닌 분출적이거나 간헐적인 P-SN 질량손실을 가리킨다.