[논문 리뷰] The rise and fall of the Type Ib supernova iPTF13bvn - Not a massive Wolf-Rayet star

C. Fremling, J. Sollerman외 10명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 26.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 36인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 광도 및 스펙트럼 데이터를 광범위하게 분석하여 Type Ib 초신성 iPTF13bvn의 원천을 재평가하며, 이전에 제안된 단일 거대한 Wolf-Rayet 별 시나리오를 기각한다. 빛의 전체 볼로메트릭 광도 곡선에 대한 유체역학적 모델링은 낮은 탈출 질량(1.9 M⊙)과 낮은 ⁵⁶Ni 질량(0.05 M⊙)을 드러내며, 이는 거대한 WR 원천과 부합하지 않아, 오히려 덜 질량이 큰 이중성 시스템을 지지한다.

ABSTRACT

We investigate iPTF13bvn, a core-collapse (CC) supernova (SN) in the nearby spiral galaxy NGC 5806. This object was discovered by the intermediate Palomar Transient Factory very soon after the explosion and was classified as a stripped-envelope CC SN, likely of Type Ib. A possible progenitor detection in pre-explosion Hubble Space Telescope (HST) images was reported, making this the only SN Ib with such an identification. Based on photometry of the progenitor candidate and on early-time SN data, it was argued that the progenitor candidate is consistent with a single, massive Wolf-Rayet (WR) star. In this work we present follow-up multi-band light-curves and optical spectra of iPTF13bvn. We perform spectral line analysis to track the evolution of the SN ejecta, construct a bolometric light curve and perform hydrodynamical calculations to model this light curve to constrain the synthesized radioactive nickel mass and the total ejecta mass of the SN. Late-time photometry is analyzed to constrain the amount of oxygen. Furthermore, image registration of pre- and post-explosion HST images is performed. Our HST astrometry confirms the location of the progenitor candidate, and follow-up spectra securely classify iPTF13bvn as a SN Ib. Our hydrodynamical model indicates an ejecta mass of 1.9 solar masses and radioactive nickel mass of 0.05 solar masses. The model fit requires the nickel to be highly mixed out in the ejecta. The late-time nebular r'-band luminosity is not consistent with predictions based on the expected oxygen nucleosynthesis in very massive stars. Our bolometric light curve of iPTF13bvn is not consistent with the previously proposed single massive WR-star progenitor scenario. The ejecta mass and the late-time oxygen emission are both significantly lower than what would be expected from a single WR progenitor with a main-sequence mass of at least 30 solar masses.

연구 동기 및 목표

• iPTF13bvn 원천의 탐지가 사전 폭발 시 허블 우주 망원경(HST) 이미지에서 확인되는가를 확인하기 위해.
• 추가적인 광학 스펙트럼 측정을 통해 iPTF13bvn을 견고하게 분류하기 위해.
• iPTF13bvn의 관측된 광도 및 스펙트럼 진화가 단일 거대한 Wolf-Rayet 별 원천과 부합하는가를 테스트하기 위해.
• 볼로메트릭 광도 곡선에 대한 유체역학적 모델링을 통해 탈출 질량과 ⁵⁶Ni 질량을 제약하기 위해.
• 매우 거대한 항성에서 기대되는 산소 핵합성과 늦은 시기 성운 광도 측정의 일관성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 폭발 이전 및 이후의 HST 이미지 간 이미지 정렬을 수행하여 원천 후보의 천체적 위치를 확인하였다.
• 초기 단계에서 늦은 단계에 이르는 다중 대역 광도 측정(Ubvri, g′r′i′z′)을 기반으로 볼로메트릭 광도 곡선을 구축하였다.
• Arnett(1982)의 반분석 모델과 Cano(2013)의 방법론을 적용하여 볼로메트릭 광도 곡선을 해석하였다.
• HYDE 유체역학 코드를 사용하여 광도 곡선을 모델링하고 총 탈출 질량 및 ⁵⁶Ni 질량을 제약하였다.
• 성운 단계의 늦은 시기 r′-대역 광도 측정을 분석하여 산소 질량을 추론하였으며, 이는 매우 거대한 항성의 핵합성 예측과 비교되었다.
• 후속 광학 스펙트럼을 표준 스펙트럼 선 분석을 통해 수행하여 탈출 속도의 진화를 추적하고 SN Ib 분류를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사전 폭발 HST 이미지에서 확인된 원천 후보는 실제로 iPTF13bvn 폭발 위치와 관련이 있는가?
• RQ2 iPTF13bvn의 광도 및 스펙트럼 진화는 단일 거대한 Wolf-Rayet 별을 원천으로 삼는 데 부합하는가?
• RQ3 볼로메트릭 광도 곡선에 대한 유체역학적 모델링으로부터 유추된 탈출 질량과 ⁵⁶Ni 질량은 무엇인가?
• RQ4 관측된 늦은 시기 성운 볼록광도는 ZAMS 질량 ≥30 M⊙를 가진 원천에서 예상되는 산소 생성과 일치하는가?
• RQ5 iPTF13bvn의 관측된 성질은 단일 항성 진화 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 이중성 상호작용 시나리오가 더 타당한가?

주요 결과

• HST 천체측위 측정은 원천 후보가 폭발 위치에 위치해 있음을 확인하였으며, 위치 오차는 80 mas 이내였다.
• 후속 스펙트럼 측정을 통해 iPTF13bvn은 타입 Ib 초신성로 견고하게 분류되었으며, 광학적 대기 속도는 일반적인 SNe Ib와 일치하였다.
• 볼로메트릭 광도 곡선에 대한 유체역학적 모델링은 총 탈출 질량 1.9 M⊙ 및 ⁵⁶Ni 질량 0.05 M⊙를 도출하였다.
• 관측된 광도 곡선을 재현하기 위해 탈출 물질 내에서 ⁵⁶Ni가 매우 강하게 혼합되어야 하며, 이는 비대칭 혼합을 시사한다.
• 늦은 시기 성운 r′-대역 볼록광도는 매우 거대한 항성(≥30 M⊙ ZAMS)의 산소 핵합성 예측과 부합하지 않았다.
• 낮은 탈출 질량과 낮은 산소 방출은 단일 거대한 Wolf-Rayet 원천을 배제하며, 오히려 덜 질량이 큰 이중성 시스템을 지지한다.