[논문 리뷰] Lightcurve and spectral modelling of the Type IIb SN 2020acat. Evidence for a strong Ni bubble effect on the diffusion time

M. Ergon, Peter Lundqvist외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 14.

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 타입 IIb 초신성인 SN 2020acat를 모델링하기 위해 JEKYLL 라이트커브 및 스펙트럼 합성 코드를 사용하며, 니켈을 다량 함유한 클러스터의 강한 팽창—'니켈 버블'로 명명됨—이 확산 단계와 이른바 단계를 동시에 맞추는 데 필수적임을 보여준다. 팽창은 효과적 투과도를 감소시켜 확산 시간스케일을 단축시키며, 이는 이전 모델이 해결하지 못한 초기 및 후기 단계 관측치 간의 괴리 문제를 해결한다. 만약 이러한 효과를 忽시할 경우, 극성-envelope 초신성의 폭발 물질 질량이 체계적으로 과소평가될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We use the light curve and spectral synthesis code JEKYLL to calculate a set of macroscopically mixed Type IIb supernova (SN) models, which are compared to both previously published and new late-phase observations of SN 2020acat. The models differ in the initial mass, the radial mixing and expansion of the radioactive material, and the properties of the hydrogen envelope. The best match to the photospheric and nebular spectra and lightcurves of SN 2020acat is found for a model with an initial mass of 17 solar masses, strong radial mixing and expansion of the radioactive material, and a 0.1 solar mass hydrogen envelope with a low hydrogen mass-fraction of 0.27. The most interesting result is that strong expansion of the clumps containing radioactive material seems to be required to fit the observations of SN 2020acat both in the diffusion phase and the nebular phase. These "Ni bubbles" are expected to expand due to heating from radioactive decays, but the degree of expansion is poorly constrained. Without strong expansion there is a tension between the diffusion phase and the subsequent evolution, and models that fit the nebular phase produce a diffusion peak that is too broad. The diffusion phase lightcurve is sensitive to the expansion of the "Ni bubbles", as the resulting Swiss-cheese-like geometry decreases the effective opacity and therefore the diffusion time. This effect has not been taken into account in previous lightcurve modelling of stripped-envelope SNe, which may lead to a systematic underestimate of their ejecta masses. It should be emphasized, though, that JEKYLL is limited to a geometry that is spherically symmetric on average, and large-scale asymmetries may also play a role. The relatively high initial mass found for the progenitor of SN 2020acat places it at the upper end of the mass distribution of Type IIb SN progenitors, and a single star origin can not be excluded.

연구 동기 및 목표

• 이전 모델이 조율하지 못한 SN 2020acat의 관측된 확산 단계 라이트커브와 이른바 단계 진화 간의 괴리를 해결하기 위해.
• 타입 IIb 초신성의 라이트커브와 스펙트럼 진화에 영향을 주는 방사성 물질의 거시적 혼합 및 팽창의 역할을 조사하기 위해.
• 작은 척도의 비대칭성, 특히 팽창하는 니켈을 다량 함유한 클러스터에 의해 유도되는 효과적 투과도와 확산 시간이 얼마나 변화하는지 평가하기 위해.
• 자기 일관된 표면 및 이른바 단계 모델링을 통해 SN 2020acat의 원형질 질량과 수소 외곽층 특성을 제약하기 위해.
• 표준 라이트커브 모델링에서 니켈 버블 팽창을 忽시할 경우, 극성-envelope 초신성의 폭발 물질 질량이 체계적으로 과소평가될 수 있는 잠재적 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• JEKYLL 코드를 사용하여 SN 2020acat의 표면 및 이른바 단계 라이트커브와 스펙트럼을 비국소 열역학적 평형(NLTE) 효과를 포함하여 모델링하였다.
• 초기 질량, 방사성 물질의 반경 방향 혼합 및 팽창, 수소 외곽층 질량과 조성의 변화를 고려한 거시적 혼합 타입 IIb 초신성 모델 세트를 계산하였다.
• 팽창하는 니켈을 다량 함유한 클러스터로 인한 스위스 치즈 유사 기하학이 포함되어 있으며, 이는 효과적 투과도를 감소시키고 확산 시간스케일을 단축시킨다.
• 공개된 자료와 새로운 후기 단계 관측치(예: B, V, K 대역의 광도 및 스펙트럼)를 기반으로 모델의 파arameter를 조정하여 일치시켰다.
• 방사성 클러스터의 강한 팽창이 확산 시간에 미치는 영향을, 강한 팽창이 없는 모델과의 비교를 통해 정량화하였다.
• 모델링은 거시적 혼합과 클러스터 팽창을 고려하지만, 대칭적인 평균 기하학을 가정하므로 대규모 비대칭성의 영향을 평가하는 데에는 한계가 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 팽창하는 니켈을 다량 함유한 클러스터(‘니켈 버블’)의 팽창이 타입 IIb 초신성, 특히 SN 2020acat에서 확산 시간스케일과 라이트커브 형태에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 네뷸라 단계를 잘 맞추는 모델이 SN 2020acat의 관측된 확산 피크 폭을 재현하지 못하는가? 이 괴리는 니켈 버블 팽창을 포함함으로써 해결될 수 있는가?
• RQ3 팽창하는 니켈 클러스터에 의한 스위스 치즈 유사 구조로 인해 효과적 투과도가 얼마나 감소하는가? 이는 라이트커브 모델링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표준 라이트커브 모델링에서 니켈 버블 팽창을 忽시할 경우, 극성-envelope 초신성의 추정 폭발 물질 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 대규모 비대칭성 또는 기타 효과가 관측된 괴리 원인일 수 있는가, 아니면 소규모 클러스터 팽창만으로도 SN 2020acat의 괴리를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• SN 2020acat에 가장 잘 맞는 모델는 초기 원형질 질량 17 M⊙, 수소 외곽층 질량 0.1 M⊙, 수소 질량 분율 0.27의 낮은 수치, 강한 반경 방향 혼합, 그리고 방사성 물질의 상당한 팽창을 요구한다.
• 관측된 확산 피크 폭과 이른바 단계 진화를 조율하기 위해 니켈을 다량 함유한 클러스터의 강한 팽창이 필수적이다. 이는 효과적 투과도를 감소시키고 확산 시간스케일을 단축시키기 때문이다.
• 강한 니켈 버블 팽창이 없을 경우, 모델은 너무 넓은 확산 피크를 생성하여 초기 단계와 후기 단계 간의 괴리가 발생하며, 이는 다른 매개변수로는 해결되지 않는다.
• 이전의 극성-envelope 초신성 라이트커브 모델링에서는 니켈 버블 팽창이 확산 시간에 미치는 영향이 고려되지 않았으며, 이는 폭발 물질 질량이 체계적으로 과소평가될 가능성을 암시한다.
• 모델은 약 100일 후 K 대역에서 점점 커지는 초과 신호를 보이며, SN 2011dh에서 관측된 먼지 형성과 유사하지만 현재 모델링으로는 완전히 재현되지 않는다.
• SN 2020acat에서 약 100일 후 관측된 평평한 꼬리 형태의 He i 1.083 μm 선형형은 모델에서 재현되지 않으며, 이는 극단적 혼합 또는 비표준 핵반응 조건이 작용하고 있을 가능성을 시사한다.