[논문 리뷰] The carbon-rich type Ic supernova 2016adj in the iconic dust lane of Centaurus A: signatures of interaction with circumstellar hydrogen?

M. Stritzinger, E. Baron외 25명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 10.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 중심자리 은하의 SN 2016adj를 적외선 및 가시광선 스펙트로스코피를 기반으로 탄소 농축형 Ic 초신성로 재분류한다. 이는 수소가 풍부한 껍질과의 원심성 상호작용을 H 파스천 및 브라켓 방출선을 통해 +97일에 검출하여, 폭발 물질과 충격파 간의 상호작용을 시사한다. 분석 결과 ⁵⁶Ni 0.5 M☉과 4.2 M☉의 폭발 물질이 추정되나, 적색화와 빛 반사 효과로 인해 불확실성이 존재한다.

ABSTRACT

We present a comprehensive data set of supernova (SN) 2016adj located within the central dust lane of Centaurus A. SN 2016adj is significantly reddened and after correcting the peak apparent $B$-band magnitude ($m_B = 17.48\pm0.05$) for Milky Way reddening and our inferred host-galaxy reddening parameters (i.e., $R_{V}^{host} = 5.7\pm0.7$ and $A_{V}^{host} = 6.3\pm0.2$), we estimate it reached a peak absolute magnitude of $M_B \sim -18$. Detailed inspection of the optical/NIR spectroscopic time-series reveals a carbon-rich SN Ic and not a SN Ib/IIb as previously suggested in the literature. The NIR spectra shows prevalent carbon-monoxide formation occurring already by +41 days past $B$-band maximum, which is $\approx 11$ days earlier than previously reported in the literature for this object. Interestingly around two months past maximum, the NIR spectrum of SN~2016adj begins to exhibit H features, with a +97~d medium resolution spectrum revealing both Paschen and Bracket lines with absorption minima of $\sim 2000$ km/s, full-width-half-maximum emission velocities of $\sim 1000$ km/s, and emission line ratios consistent with a dense emission region. We speculate these attributes are due to circumstellar interaction (CSI) between the rapidly expanding SN ejecta and a H-rich shell of material formed during the pre-SN phase. A bolometric light curve is constructed and a semi-analytical model fit suggests the supernova synthesized 0.5 solar masses of $^{56}$Ni and ejected 4.2 solar masses of material, though these values should be approached with caution given the large uncertainties associated with the adopted reddening parameters, possible CSI contamination, and known light echo emission. Finally, inspection of Hubble Space Telescope archival data yielded no progenitor detection.

연구 동기 및 목표

• 지상 및 인공위성 기반 망원경을 이용한 다중 시점 가시광선 및 적외선 스펙트로스코피를 통해 SN 2016adj를 타입 Ib/IIb에서 탄소 농축형 Ic로 재분류한다.
• 후기 시점의 적외선 스펙트럼에서 수소가 풍부한 물질과의 원심성 상호작용의 징후를 H 선 방출을 통해 조사한다.
• 광도 곡선를 구성하고 반분석 모델을 적용하여 ⁵⁶Ni 질량과 폭발 물질 질량을 추정하며, 먼지 적색화 및 빛 반사 오염을 고려한다.
• 차분 영상 및 인공 항성 시험을 통해 폭발 이전 허블 우주망원경 및 VLT+NACO 이미지에서 원형성 별을 탐색한다.
• 은하수의 적색화(RV_host = 5.7 ± 0.7, AV_host = 6.3 ± 0.2)와 그 광학 및 스펙트로스코픽 해석에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 지상 및 저궤도 기반 천체망원경을 활용해 SN 2016adj의 광범위한 가시광선 및 적외선 스펙트로스코피 시간 시리즈를 확보하였다.
• NIR 스펙트럼의 CO 방출 특징을 MCMC 기반 모델링으로 피팅하여 형성 시기와 흥 excitiation 조건을 결정하였다.
• 다중 대역 광도 측정 자료로부터 광도 곡선를 구성하고 반분석 모델을 적용하여 ⁵⁶Ni 질량과 폭발 물질 질량을 추정하였다.
• 폭발 이전 HST WFPC2/F555W와 후기 시점 WFC3/F555W 이미지 간의 차분 영상 분석을 통해 원형성 별의 소실 여부를 탐색하였다.
• NACO 고해상도 어댑티브 옵티컬 이미지에 대한 인공 항성 시험을 수행하여 감도 한계 및 원형성 별 탐지 가능성 평가를 수행하였다.
• 표준 항성으로 광도를 캘리브레이션하고 NACO 필드 전반의 PSF 변화를 모델링하여 신뢰할 수 있는 영점 및 깊이 한계를 유도하였다.

Figure 1: Colored image of Centaurus A (NGC 5128) constructed from RGB images obtained with the Swope telescope located at the Las Campanas Observatory. SN 2016adj occurred within the central dust lane, just South-East of a very bright, and typically saturated foreground star.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2016adj는 탄소 농축형 Ic 초신성이며, 수소가 풍부한 물질과의 원심성 상호작용의 징후를 보이나?
• RQ2 +97일에 관측된 NIR 스펙트럼에서의 H 파스천 및 브라켓 방출선의 성격과 기원은 무엇인가?
• RQ3 SN 2016adj의 ⁵⁶Ni 질량과 폭발 물질 질량은 얼마이며, 적색화 및 빛 반사 효과는 이 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SN 2016adj의 원형성 별은 폭발 이전 허블 우주망원경 및 VLT+NACO 이미지에서 탐지 가능한가? 그 밝기 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 은하수의 적색화 매개변수(RV_host = 5.7 ± 0.7, AV_host = 6.3 ± 0.2)는 광학 및 스펙트로스코픽 데이터 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가시광선 및 적외선 스펙트로스코피 기반으로 SN 2016adj는 탄소 농축형 Ic 초신성로 재분류되었으며, 최대 밝기 후 +41일부터 CO 형성이 관측되었다.
• H 파스천 및 브라켓 방출선이 +97일에 나타나며, 흡수 최소점은 약 2000 km s⁻¹, FWHM 방출 속도는 약 1000 km s⁻¹로 나타나 밀도 높은 원심성 상호작용을 시사한다.
• 방출선 비율은 밀도가 높고 광학적 이온화된 영역을 지지하며, 폭발 이전 단계에서 형성된 수소 풍부한 원심성 껍질 존재를 뒷받침한다.
• 광도 곡선 피팅 결과 ⁵⁶Ni 질량은 0.5 M☉, 폭발 물질 질량은 4.2 M☉로 추정되나, 적색화 및 빛 반사 오염으로 인해 큰 불확실성이 존재한다.
• 폭발 이전 HST 또는 VLT+NACO 이미지에서 원형성 별은 탐지되지 않았으며, 절대 등급 한계는 F814W > -5.7 mag 및 Ks > -7.5 mag로, 일반적인 WR 별의 탐지 가능성은 낮다.
• 은하수의 적색화는 매우 높은 편이며(AV_host = 6.3 ± 0.2 mag, RV_host = 5.7 ± 0.7), 광학 보정 및 스펙트럼 해석에 상당한 영향을 미친다.

Figure 2: Optical spectra of SN 2016adj from $-$ 7 d to $+$ 156 d. Phase and telescope facility are indicated on the right of each spectrum. Prevalent spectral features are marked with vertical dashed lines and labeled. Telluric absorption features are labeled with Earth symbols, while for the +43 d