[논문 리뷰] Multiple Peaks and a Long Precursor in the Type IIn Supernova 2021qqp: An Energetic Explosion in a Complex Circumstellar Environment

D. Hiramatsu, Tatsuya Matsumoto외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 18.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초신성 2021qqp의 다중파장 광도계측 및 스펙트로스코피를 제시하며, 300일간의 예비기록과 두 개의 명확한 광학 피크를 규명한다. 봄브레틱 광도곡선 모델링과 속도 진화 분석을 통해 저자들은 두 개의 주요 질량 손실 이벤트(10 및 5 M⊙ yr⁻¹)를 가진 복잡한 싸이클로스테레스타 매질을 유추하며, 총 CSM 질량은 2–4 M⊙, 초신성 폭발 잔여물 질량은 5–30 M⊙, 폭발 에너지는 (3–10)×10⁵¹ erg로 추정한다. 이는 루미노스 블루 변수 또는 극단적 별합성과 같은 거대한 원형성으로 이끌어낸다.

ABSTRACT

We present optical photometry and spectroscopy of the Type IIn supernova (SN) 2021qqp. Its unusual light curve is marked by a long precursor for $\approx300$ days, a rapid increase in brightness for $\approx60$ days, and then a sharp increase of $\approx1.6$ mag in only a few days to a first peak of $M_r \approx -19.5$ mag. The light curve then declines rapidly until it re-brightens to a second distinct peak of $M_r \approx -17.3$ mag centered at $\approx335$ days after the first peak. The spectra are dominated by Balmer lines with a complex morphology, including a narrow component with a width of $\approx 1300$ km s$^{-1}$ (first peak) and $\approx 2500$ km s$^{-1}$ (second peak) that we associate with the circumstellar medium (CSM) and a P Cygni component with an absorption velocity of $\approx 8500$ km s$^{-1}$ (first peak) and $\approx 5600$ km s$^{-1}$ (second peak) that we associate with the SN-CSM interaction shell. Using the luminosity and velocity evolution, we construct a flexible analytical model, finding two significant mass-loss episodes with peak mass loss rates of $\approx 10$ and $\approx 5\,M_{\odot}$ yr$^{-1}$ about $0.8$ and $2$ yr before explosion, respectively, with a total CSM mass of $\approx 2-4\,M_{\odot}$. We show that the most recent mass-loss episode could explain the precursor for the year preceding the explosion. The SN ejecta mass is constrained to be $\approx 5-30\,M_{\odot}$ for an explosion energy of $\approx (3-10) imes10^{51}$ erg. We discuss eruptive massive stars (luminous blue variable, pulsational pair instability) and an extreme stellar merger with a compact object as possible progenitor channels.

연구 동기 및 목표

• 형광성 초신성 2021qqp의 이례적인 광도곡선 기원을 이해하기 위해, 300일간의 예비기록과 두 개의 날카운 광학 피크를 포함한다.
• 세세한 광도계측 및 스펙트럼 모델링을 통해 싸이클로스테레스타 매질(CSM)과 초신성 폭발의 특성을 제약 조건을 설정한다.
• 복잡한 CSM 환경에서의 고에너지 폭발 기원을 설명하는 원형성 채널을 규명한다.
• 봄브레틱 광도곡선과 속도 진화의 분석 모델링을 통해 질량 손실 역사를 및 폭발 파rameter를 결정한다.

제안 방법

• LCO, Keck, Magellan, ZTF 등 여러 관측소에서 다중 에포크 광도계측 및 스펙트럼 측정을 수행하여 광도곡선과 스펙트럼 진화를 추적하였다.
• 다중 대역 광도계측에서 봄브레틱 광도곡선을 구성하여 초신성의 총 복사 에너지 및 에너지 예산을 추정하였다.
• 발머선과 P Cygni 프로파일의 속도 진화를 측정하여 초신성 잔여물과 CSM 간의 상호작용을 추적하였으며, 좁은 성분은 CSM를 나타내고 P Cygni 흡수는 충격 속도를 드러내었다.
• 광도곡선과 속도 데이터를 맞추기 위한 분석 모델을 개발하여 CSM 밀도 프로파일, 질량 손실 역사, 초신성 폭발 파rameter를 유도하였다.
• 모델은 파워-법칙 CSM 밀도 프로파일을 가정하고, 에너지 및 동량 보존 원리를 사용하여 질량 손실률과 총 CSM 질량을 추정하였다.
• emcee와 dynesty를 사용한 베이지안 추론을 통해 유도된 파rameter의 불확실성을 제약 조건으로 설정하였으며, 이는 잔여물 질량과 폭발 에너지를 포함한다.

Figure 1: Multi-band light curves ( Top ) and $g-r$ color evolution ( Bottom ) of SN 2021qqp. Filled and open symbols are used for detections and $3\sigma$ upper limits (only shown in the left panel for clarity), respectively. Error bars denote $1\sigma$ uncertainties and are sometimes smaller than

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2021qqp에서 관측된 300일간의 예비기록 광도곡선은 무엇이 원인인지, 그리고 원형성의 질량 손실 역사와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 다중 광학 피크를 유발한 싸이클로스테레스타 매질(CSM)의 물리적 특성은 무엇인가?
• RQ3 SN 2021qqp의 폭발 에너지와 잔여물 질량은 얼마이며, 일반적인 형광성 초신성과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ4 루미노스 블루 변수, 펄서션 페어 안정성, 또는 극단적 별합성 중에서 관측된 CSM와 폭발 에너지학을 가장 잘 설명하는 원형성 채널은 무엇인가?

주요 결과

• 초신성는 300일간의 예비기록을 보였고, 첫 번째 피크(Mr ≈ -19.5 mag)로 급격히 상승한 후 감쇠하고 두 번째 날카운 피크(Mr ≈ -17.3 mag)를 보였다.
• CSM는 총 질량 2–4 M⊙로 규명되었으며, 폭발 0.8년과 2년 전에 각각 약 10 M⊙ yr⁻¹ 및 5 M⊙ yr⁻¹의 주요 질량 손실 이벤트가 있었다.
• 좁은 스펙트럼 성분의 너비는 첫 번째 피크에서 약 1300 km s⁻¹에서 두 번째 피크에서 약 2500 km s⁻¹로 증가하여 상호작용 진화를 나타냈다.
• P Cygni 흡수 속도는 첫 번째 피크에서 약 8500 km s⁻¹에서 두 번째 피크에서 약 5600 km s⁻¹로 감소하여 CSM 내 충격 감속과 일치했다.
• 초신성 잔여물 질량은 5–30 M⊙로 제약 조건이 되었으며, 폭발 에너지는 (3–10)×10⁵¹ erg로 고에너지 폭발임을 시사했다.
• 최근의 질량 손실 이벤트(약 5 M⊙ yr⁻¹)는 예비기록을 설명하기에 충분하여, 분출 질량 손실과 초기 밝아짐 사이의 연관성을 시사한다.

Figure 2: Spectral time series ( Left ) and line profiles of H $\alpha$ ( Middle ) and H $\beta$ ( Right ) of SN 2021qqp. The Balmer-series lines and blue continuum are seen in the first two spectra, while the weaker He i , Na i , Ca i , and Fe ii lines are also seen in the last four spectra as the