[논문 리뷰] Luminous Red Nova AT 2019zhd, a new merger in M 31

A. Pastorello, M. Fraser외 21명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 20.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 75인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 M31에 위치한 AT 2019zhd를 제시하며, 이는 장기간의 전출발 광도 상승 이후 병합된 별의 사건으로 확인된 밝은 빨간 초신성(LRN)이다. 충돌 후 기체가 분출되면서 발생한 출발은 Mr = -9.61 ± 0.08 mag의 최고 절대 등급을 기록했고, 상승 후의 감쇠 단계에서는 냉각된 M형 별과 유사한 스펙트럼(Teff ≈ 3000 K)과 강한 TiO 밴드를 보이며, 공통-envelope 분출 시나리오와 일치한다. 침체 상태의 전구는 HST의 기록 자료를 통해 M5형 별로 특정되었다.

ABSTRACT

We present the follow-up campaign of the luminous red nova (LRN) AT~2019zhd, the third event of this class observed in M 31. The object was followed by several sky surveys for about five months before the outburst, during which it showed a slow luminosity rise. In this phase, the absolute magnitude ranged from M_r=-2.8+-0.2 mag to M_r=-5.6+-0.1 mag. Then, over a four-five day period, AT 2019zhd experienced a major brightening, reaching at peak M_r=-9.61+-0.08 mag, and an optical luminosity of 1.4x10^39 erg/s. After a fast decline, the light curve settled onto a short-duration plateau in the red bands. Although less pronounced, this feature is reminiscent of the second red maximum observed in other LRNe. This phase was followed by a rapid linear decline in all bands. At maximum, the spectra show a blue continuum with prominent Balmer emission lines. The post-maximum spectra show a much redder continuum, resembling that of an intermediate-type star. In this phase, Halpha becomes very weak, Hbeta is no longer detectable and a forest of narrow absorption metal lines now dominate the spectrum. The latest spectra, obtained during the post-plateau decline, show a very red continuum (T_eff ~ 3000 K) with broad molecular bands of TiO, similar to those of M-type stars. The long-lasting, slow photometric rise observed before the peak resembles that of LRN V1309 Sco, which was interpreted as the signature of the common-envelope ejection. The subsequent outburst is likely due to the gas outflow following a stellar merging event. The inspection of archival HST images taken 22 years before the LRN discovery reveals a faint red source (M_F555W=0.21+-0.14 mag, with F555W-F814W = 2.96+-0.12 mag) at the position of AT 2019zhd, which is the most likely quiescent precursor. The source is consistent with expectations for a binary system including a predominant M5-type star.

연구 동기 및 목표

• AT 2019zhd, M31에 발견된 최신의 밝은 빨간 초신성의 광도 및 스펙트럼 진화를 특성화하는 것.
• 기록된 HST 자료를 활용해 AT 2019zhd의 전구 시스템을 조사하여 침체 상태의 전구를 특정하는 것.
• 공통-envelope 분출 모델을 밝은 빨간 초신성(LRNe)에 대해 분석함으로써 검증하는 것 — 전출발 광도 곡선과 출발 역학을 분석함.
• V1309 Sco와 V838 Mon과 같은 다른 알려진 LRNe와의 광도 곡선 및 스펙트럼 진화를 비교하는 것.
• 후출발 스펙트럼의 물리적 매개변수를 결정하는 것 — 효율 온도 및 분자 밴드 특징 포함.

제안 방법

• 출발 전후 5개월 동안 천체망원경(예: 노르딕 옵티컬 천체망원경, 그란 테레스코피코 칸아리아스)과 천체망원경(예: PS1, ZTF, ATLAS)을 활용한 다파장 광도 모니터링.
• 고해상도 장비를 사용한 스펙트럼 후속 관측 — 블루 연속스펙트럼과 발머 라인에서 시작해 빨간 연속스펙트럼과 TiO 밴드로의 진화 추적.
• 출발 22년 전에 촬영된 기록된 허블 우주 망원경(HST) 이미지를 분석해 침체 상태의 전구 소스를 특정.
• 표준 필터(예: F555W, F814W)를 사용한 광도 보정을 통해 전구의 절대 등급과 색인수 유도.
• 스펙트럼 피팅을 통해 효율 온도(Teff) 추정 및 후기 단계 스펙트럼에서 TiO 밴드와 같은 분자 특징 식별.
• 공통-envelope 분출 및 별 병합 출발의 이론 모델과 광도 곡선 형태 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AT 2019zhd에서 관측된 전출발 광도 상승의 성격은 무엇이며, 이는 공통-envelope 분출 시나리오를 지지하는가?
• RQ2 HST 기록 자료에서 특정된 침체 상태의 전구 시스템의 물리적 성질은 무엇인가?
• RQ3 AT 2019zhd의 스펙트럼 진화는 다른 알려진 밝은 빨간 초신성과 비교해 볼 때, 특히 상승 후 감쇠 단계에서 어떻게 다른가?
• RQ4 AT 2019zhd의 최고 광도와 절대 등급은 무엇이며, 다른 LRNe와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ5 상승 후 스펙트럼의 효율 온도와 분자 조성은 무엇이며, 잔여체에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• AT 2019zhd는 출발 전 5개월 동안 느린 광도 상승을 보였으며, 절대 등급이 Mr = -2.8 ± 0.2 mag에서 Mr = -5.6 ± 0.1 mag로 증가했다.
• 출발은 Mr = -9.61 ± 0.08 mag의 최고 절대 등급에 도달했으며, 이는 1.4 × 10^39 erg s^-1의 광학적 빛의 강도에 해당한다.
• 초기 감쇠 이후 빨간 파장대에서 짧은 기간의 플랫폼이 관측되었으며, 다른 LRNe에서 관측된 두 번째 빨간 최대값과 유사했다.
• 최고점 이후 스펙트럼은 더 빨간 연속스펙트럼과 좁은 흡수 금속선의 군집을 보였으며, Hα는 약해졌고 Hβ는 검출되지 않았다.
• 최근 스펙트럼은 매우 빨간 연속스펙트럼을 보였으며, 효율 온도 Teff ≈ 3000 K와 넓은 TiO 분자 밴드를 보였으며, M형 별의 특징을 띠었다.
• HST 기록 이미지에서 출발 위치에 약한 빨간 전구 소스가 확인되었으며, F555W = 0.21 ± 0.14 mag 및 F555W-F814W = 2.96 ± 0.12 mag로 측정되어 이는 이진 시스템 내의 M5형 별과 일치했다.