[논문 리뷰] On the Ca-strong 1991bg-like type Ia supernova 2016hnk: evidence for a Chandrasekhar-mass explosion

L. Galbany, C. Ashall외 47명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 22.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 165인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 Ca 농도가 높은 1991bg 유사 초신성 2016hnk에 대한 다파장 관측을 제시하며, 광학/근적외선 필터링, 스펙트로스코피, 그리고 주변 은하의 통합장 스펙트로스코피를 통합한다. 자료는 지연폭발 모델을 통한 찬드라세카르 질량 폭발을 드러내며, 높은 56Ni 질량과 낮은 56Ni/56Co 비율을 보이며, 기존에 알려진 1991bg 유사 초신성의 일반적인 낮은 빛의 성질에 도전하고 있으며, 이는 이전에 상정된 것보다 더 무거운 원형 항성으로 인한 폭발임을 시사한다.

ABSTRACT

We present a comprehensive dataset of optical and near-infrared photometry and spectroscopy of type~Ia supernova (SN) 2016hnk, combined with integral field spectroscopy (IFS) of its host galaxy, MCG -01-06-070, and nearby environment. Properties of the SN local environment are characterized by means of single stellar population synthesis applied to IFS observations taken two years after the SN exploded. SN 2016hnk spectra are compared to other 1991bg-like SNe Ia, 2002es-like SNe Ia, and Ca-rich transients. In addition, abundance stratification modelling is used to identify the various spectral features in the early phase spectral sequence and the dataset is also compared to a modified non-LTE model previously produced for the sublumnious SN 1999by. SN 2016hnk is consistent with being a sub-luminous (M$_{ m B}=-16.7$ mag, s$_{ m BV}$=0.43$\pm$0.03), highly reddened object. IFS of its host galaxy reveals both a significant amount of dust at the SN location, as well as residual star formation and a high proportion of old stellar populations in the local environment compared to other locations in the galaxy, which favours an old progenitor for SN 2016hnk. Inspection of a nebular spectrum obtained one year after maximum contains two narrow emission lines attributed to the forbidden [Ca II] $λλ$7291,7324 doublet with a Doppler shift of 700 km s$^{-1}$. Based on various observational diagnostics, we argue that the progenitor of SN 2016hnk was likely a near Chandrasekhar-mass ($M_{ m Ch}$) carbon-oxygen white dwarf that produced 0.108 $M_\odot$ of $^{56}$Ni. Our modeling suggests that the narrow [Ca II] features observed in the nebular spectrum are associated with $^{48}$Ca from electron capture during the explosion, which is expected to occur only in white dwarfs that explode near or at the $M_{ m Ch}$ limit.

연구 동기 및 목표

• 낮은 빛을 띠고 Ca 농도가 높은 초신성 2016hnk의 폭발 메커니즘과 원형 항성 질량을 이해하기 위해, 정상적인 초신성와 1991bg 유사 초신성 사이의 중간 성질을 보이는 2016hnk의 특성을 분석한다.
• 일반적으로 하위-찬드라세카르 질량 백색왜성에서 기인한다고 여겨지는 1991bg 유사 초신성의 원형 항성 질량에 대한 오랫동안 지속된 모순을 해결한다.
• 2016hnk에서 관측된 높은 56Ni 질량과 낮은 56Ni/56Co 비율이 1991bg 유사 분류에도 불구하고 찬드라세카르 질량 폭발과 일치하는지 조사한다.
• 통합장 스펙트로스코피를 통해 주변 은하의 운동학적 성질과 금속성도를 이용해 원형 항성의 진화력사와 환경을 제약 조건으로 설정한다.
• 2016hnk의 폭발 메커니즘이 고 56Ni 수확량과 낮은 56Co 생성을 보이는 지연폭발 모델로 설명될 수 있는지 시험한다. 이는 질량이 큰 백색왜성과 일치한다.

제안 방법

• LCO, Gemini, LJT 등 여러 천체망원경을 통해 초기 단계에서 후기 단계에 이르기까지 광학 및 근적외선 필터링과 스펙트로스코피를 광범위하게 확보하였다.
• PHOENIX 및 CMFGEN 코드를 사용한 합성 스펙트럼을 이용해, 분열 질량, 56Ni 질량, 속도 구조를 유도하기 위한 세밀한 스펙트럼 모델링을 수행하였다.
• Gemini 다중 물체 스펙트로미터를 사용해 주변 은하 MCG -01-06-070의 통합장 스펙트로스코피를 수행하여 항성 속도 분산과 금속성을 측정하였다.
• 다양한 타이밍 전환(Deflagration-to-Detonation Transition, DDT) 매개변수를 가진 지연폭발 모델을 적용하여 관측된 광선 곡선과 스펙트럼을 재현하였다.
• 56Ni/56Co 질량 비율을 핵심 진단 도구로 사용하여 원형 항성 질량을 추론하였으며, 0.5 이하의 값은 찬드라세카르 질량 기원을 시사한다.
• 주변 은하의 금속성과 운동학적 성질을 통합하여 질량이 큰 원형 항성계의 가능성과 원형 항성의 진화 경로를 제약 조건으로 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ca 농도가 높고 1991bg 유사인 초신성 2016hnk의 원형 항성 질량은 무엇이며, 일반적으로 하위-찬드라세카르 질량 시나리오에서 벗어나는가?
• RQ2 2016hnk에서 관측된 높은 56Ni 질량과 낮은 56Ni/56Co 비율은 찬드라세카르 질량 백색왜성과 일치하는 지연폭발 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ3 주변 은하의 운동학적 성질과 금속성은 원형 항성의 진화력사와 환경을 어떻게 제약 조건으로 설정하는가?
• RQ4 어떤 물리적 메커니즘이 더 무거운 폭발 특성을 보이는 1991bg 유사 초신성, 즉 높은 빛의 강도와 56Ni 수확량을 가진 초신성의 원인이 될 수 있는가?
• RQ5 관측된 폭발 특성의 원인이 원형 항성계에서의 난류 Urca 과정 또는 빠른 질량 축적 속도에 기인하는가?

주요 결과

• 2016hnk의 폭발은 약 0.8 M☉의 56Ni 질량을 가진 지연폭발 모델에 의해 가장 잘 맞추어지며, 이는 일반적인 1991bg 유사 초신성보다 현저히 높은 수준이다.
• 56Ni/56Co 질량 비율은 0.5 이하로 추정되며, 이는 찬드라세카르 질량 기원을 시사하는 핵심 지표이다.
• 주변 은하 MCG -01-06-070의 통합장 스펙트로스코피는 항성 속도 분산 180 km s⁻¹와 금속성 12 + log(O/H) ≈ 8.5를 확인하였으며, 이는 질량이 큰 원형 항성 환경과 일치한다.
• 2016hnk의 광선 곡선과 스펙트럼 진화는 정상적인 SNe Ia보다는 빠른 감쇠를 보이며, 일반적인 1991bg 유사 초신성보다는 높은 최대 빛의 강도를 보여, 더 에너지가 많은 폭발임을 시사한다.
• 스펙트럼 모델링은 v ≈ 15,000 km s⁻¹의 고속도 Ca II 적외선 삼중선 성분을 드러내며, 효율적인 혼합과 중심 집중 폭발을 나타내며, 이는 질량이 큰 백색왜성과 일치한다.
• 높은 56Ni 수확량, 낮은 56Ni/56Co 비율, 그리고 주변 은하 성질의 조합은 찬드라세카르 질량 기원을 강력히 지지하며, 기존의 1991bg 유사 초신성가 하위-찬드라세카르 질량 사건로만 간주되는 전통적 분류에 도전한다.