[논문 리뷰] Optical Observations of the Type Ic Supernova 2007gr in NGC 1058 and Implications for the Properties of its Progenitor

Juncheng Chen, Xiaofeng Wang외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 타입 Ic 초신성 2007gr의 광학 관측을 광범위하게 수행하여, 이례적으로 좁은 선, 뚜렷한 탄소 기능, 이중피크를 띠는 비뉴클라선 [O I] 및 Mg I] 선을 규명하였다. 데이터는 저에너지 폭발을 겪은 저질량 월프-레이테르 별(~8–9 M⊙)이 이진계에서 발생한 것으로 나타나며, 토러스 형태의 기하학적 구조를 띠는 비대칭성의 물질 분포를 보이며, SNe Ib와 Ic 사이의 전이 물체로, 헬륨 층이 유지되고 탄소가 풍부한 외층을 가진 것으로 나타났다.

ABSTRACT

We present extensive optical observations of the normal Type Ic supernova (SN) 2007gr, spanning from about one week before maximum light to more than one year thereafter. The optical light and color curves of SN 2007gr are very similar to those of the broad-lined Type Ic SN 2002ap, but the spectra show remarkable differences. The optical spectra of SN 2007gr are characterized by unusually narrow lines, prominent carbon lines, and slow evolution of the line velocity after maximum light. The earliest spectrum (taken at t=-8 days) shows a possible signature of helium (He~I 5876 at a velocity of ~19,000 km s{-1}). Moreover, the larger intensity ratio of the [O I] 6300 and 6364 lines inferred from the early nebular spectra implies a lower opacity of the ejecta shortly after the explosion. These results indicate that SN 2007gr perhaps underwent a less energetic explosion of a smaller-mass Wolf-Rayet star (~ 8--9 Msun) in a binary system, as favored by an analysis of the progenitor environment through pre-explosion and post-explosion Hubble Space Telescope images. In the nebular spectra, asymmetric double-peaked profiles can be seen in the [O~I] 6300 and Mg~I] 4571 lines. We suggest that the two peaks are contributed by the blueshifted and rest-frame components. The similarity in velocity structure and the different evolution of the strength of the two components favor an aspherical explosion with the ejecta distributed in a torus or disk-like geometry, but inside the ejecta the O and Mg have different distributions.

연구 동기 및 목표

• 초기 최대 밝기에서 약 1년 이상 후까지 SN 2007gr의 광학적 밝기 및 색깔 곡선을 특성화하기 위해.
• 선 너비, 이온 농도, 속도 구조에 중점을 두어 SN 2007gr의 스펙트럼 진화를 조사하기 위해.
• 초기 스펙트럼, 비뉴클라선 비율, HST의 폭발 전·후 이미징을 이용하여 SN 2007gr의 원형체 특성을 제약하기 위해.
• 스펙트럼 특성과 물질 분포 비대칭성에 기반하여 SN 2007gr가 SNe Ib과 Ic 사이의 전이 물체인지 확인하기 위해.
• 이중피크 [O I] 및 Mg I] 선의 속도 구조와 복사율 변화를 통해 폭발 기하학을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 최대 밝기 약 8일 전부터 430일 후까지 SN 2007gr의 다중 에포크 광학적 항성계측 및 스펙트럼 측정을 수행하였다.
• 초기 스펙트럼의 스펙트럼 기능을 식별하기 위해 SYNOW 모델링을 사용하였으며, 특히 약 19,000 km s⁻¹에서 관측된 5500 Å 흡수 피크가 He I λ5876일 가능성이 있음을 확인하였다.
• t = 129일 시점의 비뉴클라 스펙트럼을 분석하여 [O I] λ6300/λ6364 강도 비율을 측정하였으며, 이는 광학적으로 얕은 물질 분포와 낮은 물질 분포 질량을 시사한다.
• 비대칭적 이중피크 프로파일인 [O I] λλ6300,6364 및 Mg I] λ4571을 청색 이동 성분과 정지 기준 성분의 조합으로 모델링하였다.
• Mg I] 및 [O I] 선의 속도 구조와 복사율 변화를 비교하여 물질 분포 내 산소와 마그네슘의 서로 다른 공간 분포를 추론하였다.
• HST의 폭발 전·후 이미징을 활용한 원형체 환경 분석을 통해 약 8–9 M⊙의 원형체 퇴출 질량을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2007gr의 광학적 및 스펙트럼 진화를 바탕으로 원형체 질량과 폭발 에너지는 무엇인가?
• RQ2 고속도 헬륨 라인 He I λ5876의 조기 탐지가 잔류 헬륨 층을 시사하며, 이는 SNe Ib과 Ic 사이의 전이 물체를 나타내는가?
• RQ3 비뉴클라 상태에서의 [O I] λ6300/λ6364 강도 비율과 물질 분포 투과도는 물질 분포 질량과 폭발 에너지를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 비대칭적 이중피크 [O I] 및 Mg I] 선의 구조는 폭발 기하학과 원소 분포에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 HST 군집 분석에 따르면 SN 2007gr의 원형체는 밀접한 이진계 내 저질량 월프-레이테르 별과 일치하는가?

주요 결과

• SN 2007gr는 SN 2002ap와 거의 동일한 밝기 및 색깔 곡선을 보이지만, 상당히 좁은 스펙트럼 선을 보이며, 질량 단위 폭발 에너지가 낮음을 시사한다.
• 초기 스펙트럼(t ≈ -8일)에서 약 19,000 km s⁻¹에서 관측된 He I λ5876 흡수 피크는 외부 물질 분포 내 고속도 헬륨 층이 존재함을 시사한다.
• t = +12일 스펙트럼에서 약 9000 Å 부근에 뚜렷한 C I 선이 관측되어 탄소가 풍부한 외층이 있음을 나타내며, 이는 일반적인 SNe Ic에서는 드문 특성이다.
• t = 129일 시점에서 [O I] λ6300/λ6364 강도 비율이 약 3:1임을 확인하여, 물질 분포가 이미 광학적으로 얕은 상태임을 시사하며, 낮은 물질 분포 질량(~1–2 M⊙)을 나타낸다.
• 이중피크 [O I] 및 Mg I] 선은 청색 이동 성분과 정지 기준 성분의 조합으로 가장 잘 설명되며, 복사율 변화가 다르게 나타나 산소와 마그네슘의 서로 다른 공간 분포를 시사한다.
• Mg I] 및 [O I] 선의 속도 구조와 복사율 변화는 산소와 마그네슘가 물질 분포 내 공존하지 않는 비대칭 폭발 기하학을 지닌 토러스 형태의 물질 분포를 지지한다.