[논문 리뷰] SN 2018bsz: significant dust formation in a nearby superluminous supernova

T. W. Chen, S. Brennan외 42명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 다중 파장 광도계측 및 스펙트로스코피를 통해 근거리 초광위성 초신성 SN 2018bsz에서 뚜렷한 먼지 형성에 대한 강력한 증거를 제시한다. 데이터는 230일차 이후로 점점 커지는 적외선 영역의 과잉을 보여주며, 이는 분출된 물질 내에서 새로 형성된 먼지에 의해 가장 잘 설명되며, 먼지 질량은 +230일차에 5×10⁻⁴ M☉에서 +535일차에 10⁻² M☉로 증가한다. 이는 초광위성 초신성에서 효율적인 먼지 생성을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the thermal emission and extinction from dust associated with the nearby superluminous supernova (SLSN) 2018bsz. Our dataset has daily cadence and simultaneous optical and near-infrared coverage up to ~ 100 days, together with late time (+ 1.7 yr) MIR observations. At 230 days after light curve peak the SN is not detected in the optical, but shows a surprisingly strong near-infrared excess, with r - J > 3 mag and r - Ks > 5 mag. The time evolution of the infrared light curve enables us to investigate if the mid-infrared emission is from newly formed dust inside the SN ejecta, from a pre-existing circumstellar envelope, or interstellar material heated by the radiation from the SN. We find the latter two scenarios can be ruled out, and a scenario where new dust is forming in the SN ejecta at epochs > 200 days can self-consistently reproduce the evolution of the SN flux. We can fit the spectral energy distribution well at +230 d with 5 x 10^-4 solar mass of carbon dust, increasing over the following several hundred days to 10^-2 solar mass by +535 d. SN 2018bsz is the first SLSN showing evidence for dust formation within the SN ejecta, and appears to form ten times more dust than normal core-collapse SNe at similar epochs. Together with their preference for low mass, low metallicity host galaxies, we suggest that SLSNe may be a significant contributor to dust formation in the early Universe.

연구 동기 및 목표

• SN 2018bsz에서 후기 단계에 관측된 적외선 영역 과잉의 기원을 규명하는 것.
• 분출된 물질 내에서 새로 형성된 먼지, 사전 존재하는 원형성 물질, 그리고 초신성에 의해 가열된 간성간 먼지 사이의 구분.
• 스펙트럼 에너지 분포(SpE) 피팅을 통해 초광위성 초신성에서 먼지 질량의 변화를 정량화하는 것.
• 중간 적외선 방출이 볼로메트릭 빛의 비율에 미치는 기여도와 그 시간적 변화 평가.
• SN 2018bsz를 초광위성 초신성에서 효율적인 먼지 생성의 핵심 사례로 확립하여 극단적인 항성 폭발에서의 먼지 형성 이론에 기여하는 것.

제안 방법

• 피크 이후 약 100일까지 매일 캐던스로 옵티컬 및 적외선 광도계측을 수행하였으며, +1.7년 시점의 후기 단계 중간 적외선 관측으로 보완.
• 다양한 시점에서 스펙트럼 에너지 분포(SEDs)를 구성하고, 단일 블랙바디 모델에 피팅하여 온도 및 반경의 변화 추정.
• 적외선 광도곡선의 시간적 변화를 모델링하여 분출된 물질 내 먼지 형성, 원형성 쉘, 간성간 매질 사이의 구분.
• 은하수 및 은하수 외부 은하의 흡수 법칙을 적용하여 흡수 보정을 수행하고, magnitude에서 물리적 단위로의 변환.
• +384일차 및 +565일차에 Spitzer 및 SOFI 이미징을 3.6, 4.5, J 및 Ks 대역에서 수행하여 SN의 지속적 방출을 확인.
• 중간 적외선 기여도를 포함하거나 배제한 채 볼로메트릭 광도곡선을 계산하여 각 대역에서의 빛의 비율 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피크 이후 230일차에 관측된 강한 적외선 영역 과잉은 무엇을 원인으로 하는가? 특히 옵티컬 광도가 흐려진 상황에서.
• RQ2 후기 단계의 중간 적외선 방출은 분출된 물질 내에서 새로 형성된 먼지에 기인한 것인지, 아니면 사전 존재하는 원형성 물질 또는 간성간 먼지에 기인한 것인지?
• RQ3 SN 2018bsz에서 형성된 먼지의 질량은 얼마이며, 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 중간 적외선 방출이 총 빛의 비율에 미치는 기여도는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 후기 단계에서 관측된 SED는 단일 성분 블랙바디 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 다중 성분이 필요한가?

주요 결과

• 230일차에 관측된 적외선 영역 과잉(r−J > 3 mag, r−Ks > 5 mag)은 사전 존재하는 원형성 물질이나 간성간 먼지의 가열과 일치하지 않으며, 이러한 시나리오들을 배제한다.
• 후기 단계의 중간 적외선 방출은 분출된 물질 내에서 새로 형성된 먼지에 의해 가장 잘 설명되며, +230일차에 먼지 질량은 5×10⁻⁴ M☉이다.
• +535일차에 먼지 질량은 10⁻² M☉로 증가하여 분출된 물질 내에서 지속적이고 효율적인 먼지 생성을 시사한다.
• +232일차의 볼로메트릭 빛은 적외선(74%)과 중간 적외선(26%) 방출에 의해 지배되며, +266일차에는 중간 적외선 기여도가 68%로 증가한다.
• 단일 블랙바디 SED 피팅이 모든 시점에서 관측 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 다중 성분이 필요하지 않음을 시사한다.
• +68일차의 MIR 기여도는 뿐만 아니라 후기 단계에서 크게 증가하여, MIR 방출이 일정 배경이 아니라 먼지 형성과 관련된 일시적 특성임을 확인한다.