[논문 리뷰] Probing pre-supernova mass loss in double-peaked Type Ibc supernovae from the Zwicky Transient Facility

Kaustav K. Das, M. M. Kasliwal외 35명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 132인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Zwicky Transient Facility에서 관측한 14개의 이중피크를 가진 Ibc 초신성에 대해 분석하여, Ibc 초신성 전체에서 3–9%의 비율을 차지하는 것으로 밝혀졌다. 낮은 탈출질량을 가진 사건들(<1.5 M☉)은 후기 이중성 질량 이전과 관련이 있으며, 더 높은 질량의 원형은 파동 구동 또는 펄세이션-쌍不稳定성 질량 손실과 일치한다. 이는 폭발 이전의 거대한 항성에서 서로 다른 질량 손실 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Eruptive mass loss of massive stars prior to supernova (SN) explosion is key to understanding their evolution and end fate. An observational signature of pre-SN mass loss is the detection of an early, short-lived peak prior to the radioactive-powered peak in the lightcurve of the SN. This is usually attributed to the SN shock passing through an extended envelope or circumstellar medium (CSM). Such an early peak is common for double-peaked Type IIb SNe with an extended Hydrogen envelope but is uncommon for normal Type Ibc SNe with very compact progenitors. In this paper, we systematically study a sample of 14 double-peaked Type Ibc SNe out of 475 Type Ibc SNe detected by the Zwicky Transient Facility. The rate of these events is ~ 3-9 % of Type Ibc SNe. A strong correlation is seen between the peak brightness of the first and the second peak. We perform a holistic analysis of this sample's photometric and spectroscopic properties. We find that six SNe have ejecta mass less than 1.5 Msun. Based on the nebular spectra and lightcurve properties, we estimate that the progenitor masses for these are less than ~ 12 Msun. The rest have an ejecta mass &gt; 2.4 Msun and a higher progenitor mass. This sample suggests that the SNe with low progenitor masses undergo late-time binary mass transfer. Meanwhile, the SNe with higher progenitor masses are consistent with wave-driven mass loss or pulsation-pair instability-driven mass loss simulations.

연구 동기 및 목표

• 초기이고 일시적인 광선도 피크가 폭발 이전 질량 손실을 시사하는 이중피크 Ibc 초신성의 퍼근성과 특성 조사
• 광학적 및 스펙트로스코픽 데이터를 이용해 이러한 초신성의 원형 질량과 진화 경로 규명
• 탈출질량과 광선도 형태를 바탕으로 질량 손실 메커니즘—이중성 질량 이전 대비 파동 구동 또는 펄세이션-쌍 불안정성—구분
• 전체 Ibc 초신성 집단 대비 이중피크 Ibc 초신성의 비율 제약

제안 방법

• Zwicky Transient Facility가 감지한 475개의 Ibc 초신성 샘플에서 14개의 이중피크 Ibc 초신성 체계적으로 식별
• 탈출질량과 원형 질량 추정을 위해 광선도 및 이オン화 상태 스펙트럼의 통합 광학적 및 스펙트로스코픽 분석 수행
• 첫 번째(초기) 및 두 번째(방사성 붕괴 구동) 피크의 밝기 간 상관관계를 분석하기 위해 광선도 모델링 수행
• 단일 별 및 이중성 상호작용 시나리오 포함된 별진화 모델과 관측된 성질 비교
• 파동 구동 및 펄세이션-쌍 불안정성 질량 손실 시뮬레이션과의 비교를 통해 질량 손실 메커니즘 평가
• 이온화 상태 단계 스펙트럼과 광선도 감쇠 시간스케일을 이용해 원형 질량에 대한 통계적 한계 적용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중피크 Ibc 초신성은 전체 Ibc 초신성 집단에서 얼마나 흔한가?
• RQ2 이중피크 Ibc 초신성에서 첫 번째 피크(초기)와 두 번째 피크(방사성 붕괴 구동)의 피크 밝기 간 관계는 어떠한가?
• RQ3 이중피크 Ibc 초신성의 원형 질량은 무엇이며, 탈출질량과의 상관관계는 어떠한가?
• RQ4 이중성 질량 이전, 파동 구동, 또는 펄세이션-쌍 불안정성 중 어떤 질량 손실 메커니즘이 이들의 관측된 성질을 가장 잘 설명하는가?

주요 결과

• 이중피크 Ibc 초신성의 비율은 전체 Ibc 초신성 집단의 3–9%로 추정된다.
• 첫 번째(초기) 피크와 두 번째(방사성 붕괴 구동) 피크의 피크 밝기 사이에 강한 상관관계가 관측된다.
• 14개의 초신성 중 6개는 탈출질량이 1.5 M☉ 이하이며, 이는 이온화 상태 스펙트럼과 광선도 성질을 바탕으로 원형 질량이 약 ~12 M☉ 이하로 추정된다.
• 남은 8개의 초신성에서는 탈출질량이 2.4 M☉ 이상으로 나타나 원형 질량이 더 높음을 시사한다.
• 낮은 원형 질량을 가진 초신성들은 후기 이중성 질량 이전과 일치하며, 높은 질량을 가진 초신성들은 파동 구동 또는 펄세이션-쌍 불안정성 질량 손실 시뮬레이션과 일치한다.
• 이중성 상호작용 모델은 낮은 탈출질량 초신성에서 관측된 초기 광선도 피크와 일치하는 연장된 낮은 밀도의 외곽을 생성할 수 있음을 보여준다.