[논문 리뷰] Millimeter Observations of the Type II SN2023ixf: Constraints on the Proximate Circumstellar Medium

E. Berger, Garrett K. Keating외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 15.

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 Submillimeter Array (SMA) 를 이용한 근접한 Type II 초신성 SN 2023ixf 의 밀리미터 대역 관측을 제시하며, 폭발 후 18.6일 이내로 1.3 mm (230 GHz) 에서 방출이 없음을 검출하였다. 비검출 결과는 순환주변 매질(CSM) 질량 손실률을 $< 10^{-6}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ 또는 $> 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ 이하로 제약하며, 이는 광학 스펙트로스코피 결과와 일치하지만 X선 기반 추정치와는 괴리된다. 이는 비균일하고 봉인된 CSM가 이 괴리를 해소할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present 1.3 mm (230 GHz) observations of the recent and nearby Type II supernova, SN2023ixf, obtained with the Submillimeter Array (SMA) at 2.6-18.6 days after explosion. The observations were obtained as part the SMA Large Program POETS (Pursuit of Extragalactic Transients with the SMA). We do not detect any emission at the location of SN2023ixf, with the deepest limits of $L_ν(230\,{ m GHz})\lesssim 8.6 imes 10^{25}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ at 2.7 and 7.7 days, and $L_ν(230\,{ m GHz})\lesssim 3.4 imes 10^{25}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ at 18.6 days. These limits are about a factor of 2 times dimmer than the mm emission from SN2011dh (IIb), about an order of magnitude dimmer compared to SN1993J (IIb) and SN2018ivc (IIL), and about 30 times dimmer than the most luminous non-relativistic SNe in the mm-band (Type IIb/Ib/Ic). Using these limits in the context of analytical models that include synchrotron self-absorption and free-free absorption we place constraints on the proximate circumstellar medium around the progenitor star, to a scale of $\sim 2 imes 10^{15}$ cm, excluding the range $\dot{M}\sim { m few} imes 10^{-6}-10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ (for a wind velocity, $v_w=115$ km s$^{-1}$, and ejecta velocity, $v_{ m eje}\sim (1-2) imes 10^4$ km s$^{-1}$). These results are consistent with an inference of the mass loss rate based on optical spectroscopy ($\sim 2 imes 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ for $v_w=115$ km s$^{-1}$), but are in tension with the inference from hard X-rays ($\sim 7 imes 10^{-4}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ for $v_w=115$ km s$^{-1}$). This tension may be alleviated by a non-homogeneous and confined CSM, consistent with results from high-resolution optical spectroscopy.

연구 동기 및 목표

• 초기 밀리미터 대역 관측을 통해 SN 2023ixf 의 원형성자 주변 순환주변 매질(CSM) 밀도 및 질량 손실률을 제약하기 위해.
• mm 대역 제약을 기존의 광학 및 X선 측정치와 비교하여 다중파장 진단 방법 간의 일관성을 평가하기 위해.
• X선과 mm 대역에서 유도된 질량 손실률 간의 괴리를 비구형 또는 봉인된 CSM 기하학으로 어떻게 해결할 수 있는지 조사하기 위해.
• 동기분산 자기흡수 및 자유자유 흡수를 포함한 분석 모델의 타당성을 검증하기 위해 비검출 결과를 해석하기 위해.
• 초기 밀리미터 대역 관측이 근접한 핵붕괴 초신성의 CSM 특성을 독립적으로 탐색하는 데 유용한 수단임을 확립하기 위해.

제안 방법

• POETS Large Program 의 일환으로 폭발 후 2.6–18.6일 간 SN 2023ixf 에 대해 Submillimeter Array (SMA) 를 이용해 1.3 mm (230 GHz) 관측을 수행하였다.
• 표준 보정 체계(3C454.3, Ceres, J1419+543, J1506+426)를 사용해 SMA 데이터를 보정하고, 이미징 및 탈혼탁 기법을 적용해 깊은 연속 스펙트럼 맵을 제작하였다.
• 비검출 결과를 해석하기 위해 동기분산 자기흡수 및 자유자유 흡수의 분석 모델을 적용하여 빛의 세기 및 CSM 질량 손실률의 상한선을 유도하였다.
• 기존 초신성 연구에서 유도된 전자 에너지 비율($\epsilon_{\rm e}$)과 자기장 에너지 비율($\epsilon_{\rm B}$) 제약 조건을 도입하여 모델의 다중해를 제한하였다.
• 모델 예측을 광학 플래시 스펙트로스코피 및 경질 X선 관측과 비교하여 다양한 진단 방법 간의 일관성을 평가하였다.
• 최대 탐측 거리로 반경 스케일 $\sim 2 \times 10^{15}$ cm 를 사용하였으며, 이는 광학 및 X선 진단과 일치한다.

Figure 1: Map from the aggregate SMA data from all 6 epochs of observations, of the region around SN 2023ixf (white cross) overlaid on a false-color Hubble Space Telescope image, with the synthesized beam shown in the lower-left (white ellipse). We show contours of the 230 GHz (1.3 mm) continuum emi

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폭발 후 2.7, 7.7, 18.6일에 SN 2023ixf 의 mm 대역 빛의 세기 상한선은 무엇인가?
• RQ2 이 mm 대역 비검출 결과는 원형성자 주변 순환주변 매질의 질량 손실률을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 mm 대역 제약은 초기 광학 스펙트로스코피 및 경질 X선 관측에서 유도된 제약과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 비균일하거나 봉인된 CSM 기하학은 X선과 mm 대역에서 유도된 CSM 밀도 추정치 간의 괴리를 어떻게 해소할 수 있는가?
• RQ5 동기분산 자기흡수 및 자유자유 흡수의 역할은 핵붕괴 초신성의 관측된 mm 대역 방출을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• SN 2023ixf 의 위치에서 1.3 mm 에서는 방출이 검출되지 않았으며, 2.7일 및 7.7일에는 $L_{\nu}(230\,{\rm GHz}) \lesssim 8.6 \times 10^{25}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ 의 상한선, 18.6일에는 $\lesssim 3.4 \times 10^{25}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ 의 상한선을 확보하였다.
• 이 mm 대역 빛 세기 상한선은 SN 2011dh (IIb) 보다 약 2배 어두우며, SN 1993J (IIb) 와 SN 2018ivc (IIL) 보다 약 10배 어두우며, 비상대론적 초신성 중에서 가장 밝은 mm 대역 방출보다 약 30배 어두럽다.
• 비검출 결과는 동기분산 자기흡수를 통한 CSM 질량 손실률 제약 $\dot{M} \lesssim 10^{-6}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ 또는 자유자유 흡수를 통한 제약 $\dot{M} \gtrsim 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ 를 유도하며, $v_w = 115$ km s$^{-1}$ 일 때 약 수 $\times 10^{-6} - 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ 의 범위는 배제한다.
• mm 대역 제약은 Jacobson-Galan 등 (2023) 이 광학 스펙트로스코피 기반으로 유도한 $\dot{M} \sim 2 \times 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ 와 일치하지만, Grefenstette 등 (2023) 이 X선 기반으로 유도한 $\dot{M} \sim 7 \times 10^{-4}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ 와는 괴리된다.
• X선과 mm 대역 추정치 간의 괴리는 고해상도 광학 스펙트로스코피(Smith 등, 2023) 가 제안한 비균일하고 축소된 CSM로 해결될 수 있으며, 이는 낮은 밀도 영역에서 X선 방출이 발생하고, 높은 밀도의 봉인된 쉘에서 mm 방출이 흡수되는 방식으로 설명될 수 있다.
• 본 연구는 초기 mm 대역 관측이 $\sim 10^{15}$ cm 척도의 CSM 특성을 독립적이고 보완적인 방법으로 탐색할 수 있음을 입증한다. 이는 광학 또는 X선 진단과 다른 모델링 가정을 기반으로 한다.

Figure 2: SMA 230 GHz upper limits for SN 2023ixf (black triangles; $3\sigma$ ) compared to the existing sample of CCSNe with early mm-band detections (squares: Type II; circles: Type Ib/c; Weiler et al. 2007 ; Soderberg et al. 2008 ; Gorosabel et al. 2010 ; Horesh et al. 2013a , b ; Chakraborti et