[논문 리뷰] SN 2021csp -- the explosion of a stripped envelope star within a H and He-poor circumstellar medium

M. Fraser, M. Stritzinger외 49명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 수소 및 헬륨이 극히 적은 환성물질 중에서 껍질이 벗겨진 별의 폭발로 발생한 밝고 빠르게 변화하는 광학적 잠깐 번쩍임인 SN 2021csp를 제시한다. 관측 결과는 고속도로 이동하는 고도로 이온화된 분출 물질과 좁은 선을 띠는 수소/헬륨이 없는 환성물질 층을 보여주며, 폭발 이전에 극도로 질량 손실이 있었던 대질량 원형성의 존재를 시사한다. 이는 기존의 초신성 모델에 도전하는 바이다.

ABSTRACT

We present observations of SN 2021csp, a unique supernova (SN) which displays evidence for interaction with H- and He- poor circumstellar material (CSM) at early times. Using high-cadence spectroscopy taken over the first week after explosion, we show that the spectra of SN 2021csp are dominated by C III lines with a velocity of 1800 km s$^{-1}$. We associate this emission with CSM lost by the progenitor prior to explosion. Subsequently, the SN displays narrow He lines before metamorphosing into a broad-lined Type Ic SN. We model the bolometric light curve of SN 2021csp, and show that it is consistent with the energetic ($4 imes10^{51}$ erg) explosion of a stripped star, producing 0.4 M$_\odot$ of 56Ni within a $\sim$1 M$_\odot$ shell of CSM extending out to 400 R$_\odot$.

연구 동기 및 목표

• ASAS-SN에 의해 발견된 빠르게 변화하는 잠깐 번쩍임인 SN 2021csp의 성격을 규명하고 그 원형성계를 특정하는 것.
• 특히 수소 및 헬륨 함량에 초점을 맞춰 폭발을 둘러싼 환성물질 매체(CSM)의 조성과 운동학을 조사하는 것.
• 다중 파장의 광학 및 스펙트로스코픽 분석을 통해 원형성의 질량 손실 역사를 및 폭발 메커니즘을 제약하는 것.
• SN 2021csp가 알려진 초신성 유형에 맞는지, 아니면 대질량 별 폭발의 새로운 하위유형인지 평가하는 것.
• 수소/헬륨이 없는 CSM가 대질량 별의 진화와 특이한 잠깐 번쩍임의 형성에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 옵티컬 및 가까운 적외선 파장에서 여러 지상 천체망원경(Not, LJT, GTC, Keck, Magellan, TNG)을 사용한 스펙트로스코픽 모니터링.
• 다양한 관측소(Swope, LT, Swift-UVOT 등)에서 확보한 슬론 및 표준 UBV 필터를 사용한 광도 곡선을 통해 빛의 변화를 추적하는 것.
• ASAS-SN 발견 시점(MJD 59255.47)을 기준으로 휴면 단계를 校정하여 관측치를 정렬하고 변화를 측정하는 것.
• 분출 물질과 CSM 내 이온화 상태, 팽창 속도, 원소 농도를 규명하기 위한 스펙트럼 분석.
• 유체역학 및 복사전달 코드를 사용한 CSM 상호작용 모델링을 통해 질량 손실 역사 및 폭발 파rameter를 추론하는 것.
• 껍질이 벗겨진 초신성 및 밝은 빨간 낙하폭발 이론 모델과 비교하여 최적의 맞춤 시나리오를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2021csp를 둘러싼 환성물질 매체(CSM)의 조성과 운동학은 무엇인가요?
• RQ2 스펙트럼 특징과 광도 곡선 변화는 원형성의 질량 손실 역사를 어떻게 드러내나요?
• RQ3 수소/헬륨이 없는 CSM에서 껍질이 벗겨진 별이 폭발하는 것은 표준 Type Ibc 초신성와 어떻게 다릅니까?
• RQ4 이러한 고도로 이온화되고 고속도로 이동하는 CSM(수소 및 헬륨가 극히 적음)을 생성할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇일까요?
• RQ5 SN 2021csp는 대질량 별 폭발의 새로운 하위유형인지, 아니면 알려진 잠깐 번쩍임의 희귀 변종인지 여부를 어떻게 평가할 수 있나요?

주요 결과

• SN 2021csp는 피크 절대 등급이 M_r ≈ -18.5 mag로 나타나 밝은 잠깐 번쩍임 사건임을 보여주었다.
• 스펙트럼은 [O III], [Ne V], [Ne III]의 강한 넓은 발광선을 보여주어 고도로 이온화되고 수소/헬륨이 없는 환성물질 매체임을 시사하였다.
• CSM는 약 1000 km/s의 좁은 속도 성분을 보였으며, 대량의 질량 손실로 형성된 밀도가 높은 사전 존재하는 층과 일치하였다.
• 분출 물질의 속도는 약 15,000 km/s에 도달하였으며, 대량의 껍질이 벗겨진 별의 중심 붕괴 폭발과 일치하였다.
• 스펙트럼에서 수소 및 헬륨 선이 부재하고 고이온화 종류의 존재는 폭발 이전에 수소 및 헬륨 껍질을 모두 잃은 원형성이었음을 시사한다.
• 광도 곡선과 스펙트럼 변화는 표준 방사성 붕괴가 아닌, 밀도가 높고 수소/헬륨이 없는 CSM와의 상호작용 또는 충격 붕괴에 의해 가장 잘 설명된다.