[논문 리뷰] Multi-epoch high-resolution spectroscopy of SN2011fe - Linking the progenitor to its environment

F. Patat, Martin Cordiner외 11명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 01.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 47인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 SN 2011fe의 다중 에포크 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 그 주변 환경을 탐구하고, 원천 시스템의 성질을 둘러싼 물질과 연관지운다. 흡수 특성의 최소한의 변화와 낮은 흡수량을 발견하여, 비거대성일 가능성이 높은 双중퇴화 원천 시스템과 일치하는 청소된 환경을 시사하며, 100 AU 이하 척도의 ISM 구조를 포함한다.

ABSTRACT

This study attempts to establish a link between the reasonably well known nature of the progenitor of SN2011fe and its surrounding environment. This is done with the aim of enabling the identification of similar systems in the vast majority of the cases, when distance and epoch of discovery do not allow a direct approach. To study the circumstellar environment of SN2011fe we have obtained high-resolution spectroscopy of SN2011fe on 12 epochs, from 8 to 86 days after the estimated date of explosion, targeting in particular at the time evolution of CaII and NaI. Three main absorption systems are identified from CaII and NaI, one associated to the Milky Way, one probably arising within a high-velocity cloud, and one most likely associated to the halo of M101. The Galactic and host galaxy reddening, deduced from the integrated equivalent widths (EW) of the NaI lines are E(B-V)=0.011+/-0.002 and E(B-V)=0.014+/-0.002 mag, respectively. The host galaxy absorption is dominated by a component detected at the same velocity measured from the 21-cm HI line at the projected SN position (~180 km/s). During the ~3 months covered by our observations, its EW changed by 15.6+/-6.5 mA. This small variation is shown to be compatible with the geometric effects produced by therapid SN photosphere expansion coupled to the patchy fractal structure of the ISM. The observed behavior is fully consistent with ISM properties similar to those derived for our own Galaxy, with evidences for structures on scales <100 AU. SN2011fe appears to be surrounded by a "clean" environment. The lack of blue-shifted, time-variant absorption features is fully consistent with the progenitor being a binary system with a main-sequence, or even another degenerate star.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트로스코피를 활용하여 SN 2011fe의 원천 시스템과 그 주변 간성간성매질(ISM) 환경를 연관지어 분석한다.
• 원천의 성질을 제약하는 데 기여할 수 있는, 예를 들어 시간에 따라 변화하는 흡수 특성과 같은 환경물질(CSM)의 특징을 탐지한다.
• 다양한 원천 채널(예: 단일-또는 双중퇴화)이 Type Ia 초신성의 발생 빈도에 기여하는 정도를 ISM 인상 분석을 통해 평가한다.
• 관측 각도와 기하학적 효과를 고려하여 ISM 흡수의 신뢰성을 원천 성질의 지표로 평가한다.
• 직접적인 원천 연구가 불가능한 먼 초신성에서 유사한 시스템을 식별하기 위한 기준을 제공한다.

제안 방법

• SN 2011fe의 12개 에포크(폭발 후 8일에서 86일) 동안 Mercator, TNG, NOT, Copernico 등 여러 천체망원경을 사용하여 고해상도 스펙트로스코피를 확보하였다.
• 원천으로부터의 질량 손실를 시사하는 흡수 특성의 시간적 변화를 탐지하기 위해 Ca ii 및 Na i 흡수선의 시간적 변화를 집중적으로 분석하였다.
• EW와 흡수량 간의 관계를 이용하여 Na i 선의 등가폭(EW)을 측정하고, 총 및 구성 요소별 적색화(EB−V)를 유도하였다.
• SN 광구 확장과 상호작용하는 분수형이며 덩어리진 ISM의 이론 모델과 관측된 흡수 변화를 비교하였다.
• 태양계 기준 속도 보정 및 21cm H I 선 데이터로부터의 도플러 속도 측정을 통해 은하수 및 주변 은하 성분을 식별하였다.
• SN 광구 확장에 의한 기하학적 영향이 관측된 흡수 깊이 및 너비에 미치는 영향을 분석하여 ISM 구조의 척도 길이를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2011fe의 환경에서 원천의 질량 손실을 시사하는 시간에 따라 변화하는 흡수 특성이 관측되는가?
• RQ2 은하수, 고속 구름, 그리고 주변 은하 M101이 관측된 Na i 및 Ca ii 흡수 성분에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ3 관측된 흡수 변화는 덩어리진 ISM에서 SN 광구 확장이 예측하는 바와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 파란편이, 시간에 따라 변화하는 흡수 특성이 관측되지 않는 것은 원천 시스템에서 비퇴화된 거대한 동반성체가 존재하지 않음을 배제할 수 있는가?
• RQ5 관측된 ISM 환경는 SN 2011fe의 双중퇴화 원천 시나리오를 어느 정도 지지하는가?

주요 결과

• 세 가지 주요 흡수 성분이 확인되었으며, 은하수(EB−V = 0.011 ± 0.002 mag), 고속 구름, 그리고 주변 은하 M101(EB−V = 0.014 ± 0.002 mag)에서 기인한 것으로 분석되었다.
• 주변 은하 흡수 성분은 약 ~180 km s⁻¹ 중심에 위치하며, SN의 투영 위치에서의 21cm H I 선 속도와 일치한다.
• 주변 은하 Na i 선의 등가폭은 약 3개월 간 15.6 ± 6.5 mÅ 변화하였으며, 이는 분수형 ISM에서의 SN 광구 확장에 기인한 기하학적 효과와 일치한다.
• 관측된 변화는 ISM 성질이 은하수와 유사하고, 척도가 ≤100 AU 이내일 경우에 완전히 호환 가능하다.
• 밀도가 높고 질량이 큰 환경물질을 지닌 흡수 특성은 관측되지 않았으며, 이는 원천이 폭발 이전에 상당한 질량을 손실하지 않았음을 시사한다.
• 이 환경은 주성분 또는 퇴화된 동반성체를 지닌 双중퇴화 시나리오와 일치한다.