[논문 리뷰] The Carnegie Supernova Project II

M. Stritzinger, F. Taddia외 20명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 103인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 폭발 후 2일 이내에 발견된 타입 Ib 초신성 LSQ13abf의 초기 광학 및 근적외선 관측을 제시하며, 뚜렷한 초기 파란 피크와 충격파 브레이크아웃 냉각 단계를 드러낸다. 블랙바디 피팅, 아르네트 모델 피팅, 충격파 브레이크아웃 냉각 모델링을 결합하여 저자들은 원형성 항성의 반지름을 28.0 ± 7.5 R⊙, 높은 비등속 질량을 5.94 ± 1.10 M⊙, 폭발 에너지를 1.27 ± 0.23 × 10⁵¹ ergs로 추정하며, 이는 25 M⊙ 이상의 제로나이 메인시퀀스 항성에서 유래한 확장된 외피를 가진 거대한 원형성 항성임을 시사한다.

ABSTRACT

Supernova LSQ13abf was discovered soon after explosion by the La Silla-QUEST Survey and followed by the CSP II at optical and near-IR wavelengths. Our analysis indicates LSQ13abf was discovered within two days of explosion and its first 10 days of evolution reveal a B-band light curve with an abrupt drop in luminosity. Contemporaneously, the V-band light curve exhibits a rise towards a first peak and the r- and i-band light curves show no early peak. The early light-curve evolution of LSQ13abf is reminiscent of the post explosion cooling phase observed in the Type Ib SN 2008D, and the similarity between the two objects extends over weeks. Spectroscopically, LSQ13abf resembles SN 2008D with P Cygni He I features that strengthen over time. Spectral energy distributions are constructed from broad-band photometry, and by fitting black-body (BB) functions a UVOIR light curve is constructed, and the underlying BB-temperature and BB-radius profiles are estimated. Explosion parameters are estimated by simultaneously fitting an Arnett model to the UVOIR light curve and the velocity evolution derived from spectral features, and a post-shock breakout cooling model to the first two epochs of the bolometric evolution. This combined model suggests an explosion energy of 1.3x10$^{51}$ ergs, a relatively high ejecta mass of 5.94 M$_{\odot}$, a Ni mass of 0.16 M$_{\odot}$, and a progenitor-star radius of 28.0 R$_{\odot}$. The ejecta mass suggests the origins of LSQ13abf lie with a >25 M$_{\odot}$ ZAMS progenitor and its radius is three and nine times larger than values estimated from the same analysis applied to observations of SNe 2008D and 1999ex, respectively. Alternatively, comparison of hydrodynamical simulations of >20-25 M$_{\odot}$ ZAMS progenitors that evolve to pre-SN envelope masses around 10 M$_{\odot}$ and extended (~100 R$_{\odot}$) envelopes also match the observations of LSQ13abf.

연구 동기 및 목표

• 초기 시기의 광학적 및 스펙트로스코픽 데이터를 이용해 타입 Ib 초신성 LSQ13abf의 원형성 항성 특성을 제약하는 것.
• 초기 광도 곡선과 스펙트럼 진화를 모델링하여 비등속 질량, 폭발 에너지, ⁵⁶Ni 질량 등의 폭발 매개변수를 결정하는 것.
• 충격파 브레이크아웃 냉각 모델을 이용해 원형성 항성의 반지름과 구조, 특히 그 성격을 조사하는 것.
• LSQ13abf의 관측된 초기 진화를 이진계에서의 거대 헬륨 항성의 유체역학 모델과 비교하는 것.
• 유추된 원형성 항성 반지름과 비등속 질량이 현재 거대 항성의 별진화 모델에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• U, B, V, r, i 및 근적외선 대역에서의 광대역 광도 측정을 통해 스펙트럼 에너지 분포를 구성하고, 볼로메트릭 광도 곡선을 유도하였다.
• 스펙트럼 에너지 분포에 블랙바디(BB) 함수를 피팅하여 비등속 질량의 효과적 온도 및 반지름 변화를 추정하였다.
• 아르네트 모델을 이용해 UVOIR 광도 곡선과 스펙트럼 특징의 속도 변화를 동시에 피팅하는 통합 모델링 접근법을 적용하였다.
• 볼로메트릭 광도 곡선의 첫 두 에포크에 충격파 브레이크아웃 냉각 모델을 피팅하여 폭발 시 원형성 항성 반지름을 추정하였다.
• 외피가 확장된 20–25 M⊙ 제로나이 메인시퀀스 원형성 항성의 유체역학 시뮬레이션을 관측된 광도 곡선과 비교하였다.
• 다중 파장 데이터에 아르네트 모델과 충격파 브레이크아웃 냉각 모델을 동시에 피팅하여 폭발 매개변수를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LSQ13abf의 원형성 항성 반지름은 얼마이며, 초기 냉각 관측이 있는 다른 타입 Ib 초신성과 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ2 LSQ13abf의 폭발 에너지, 비등속 질량, ⁵⁶Ni 질량은 얼마이며, 이는 원형성 항성의 초기 질량에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 특히 초기 파란 피크를 보이는 LSQ13abf의 초기 광도 곡선은 충격파 브레이크아웃 및 충격파 뒤이어 발생하는 냉각 이론 모델과 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ4 이진계에서의 거대 헬륨 항성 유체역학 모델은 관측된 LSQ13abf의 초기 진화를 재현할 수 있는가?
• RQ5 왜 LSQ13abf는 SN 2008D와 SN 1999ex와 같은 잘 연구된 타입 Ib 초신성보다 더 큰 원형성 항성 반지름을 보이는가?

주요 결과

• LSQ13abf는 폭발 후 약 2일 이내에 발견되어 초기 충격파 브레이크아웃 냉각 단계를 캡처하였다.
• B-대역 광도 곡선은 첫 10일 동안 빛의 밝기가 급격히 감소하는 것으로 나타나며, V-대역은 첫 번째 피크로 상승하는 것으로, 복잡한 초기 진화를 나타낸다.
• 폭발 시 원형성 항성의 반지름은 28.0 ± 7.5 R⊙로 추정되었으며, 동일한 모델 하에서 SN 2008D의 추정치보다 3배 더 크다.
• 비등속 질량은 5.94 ± 1.10 M⊙로 결정되었으며, 이는 제로나이 메인시퀀스 질량이 25 M⊙를 초과한 원형성 항성임을 시사한다.
• 폭발 에너지는 1.27 ± 0.23 × 10⁵¹ ergs로 추정되었으며, ⁵⁶Ni 질량은 0.16 ± 0.02 M⊙였다.
• 외피가 확장된 이진계에서의 거대 헬륨 항성의 유체역학 모델(최대 약 100 R⊙까지)은 관측된 초기 광도 곡선과 원형성 항성 반지름을 설명하는 데 유의미한 해석을 제공한다.