[논문 리뷰] Ultraviolet Spectroscopy and TARDIS Models of the Broad-lined Type-Ic Supernova 2014ad

Lindsey A. Kwok, Marc Williamson외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 96인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주망원경/우주망원경 이미징 스펙트로그래프(HST/STIS)를 사용하여 브로드라인 타입 Ic 초신성(SN Ic-bl)인 SN 2014ad의 최초로 발표된 자외선(UV) 스펙트럼을 제시하며, 이를 26개의 지상 기반 온전한 광학 스펙트럼과 결합한다. TARDIS 1D 몬테카를로 복사전달 모델링을 통해 SN 2014ad는 약 3 M⊙의 고속 물질을 v > 22,000 km s⁻¹에서 요구하며, 급격한 밀도 프로파일을 가지며, 이는 이전에 추정된 것보다 더 높은 총 분출 질량을 암시한다. 이는 평탄한 밀도 프로파일 또는 중심에서의 방출으로 인해 발생할 수 있다.

ABSTRACT

Few published ultraviolet (UV) spectra exist for stripped-envelope supernovae, and none to date for broad-lined Type Ic supernovae (SN Ic-bl). These objects have extremely high ejecta velocities and are the only supernova type directly linked to gamma-ray bursts (GRBs). Here we present two epochs of HST/STIS spectra of the SN Ic-bl 2014ad, the first UV spectra for this class. We supplement this with 26 new epochs of ground-based optical spectra, augmenting a rich spectral time series. The UV spectra do not show strong features and are consistent with broadened versions of other SN Ic spectra observed in the UV. We measure Fe II 5169 Angstrom velocities and show that SN 2014ad has even higher ejecta velocities than most SNe Ic both with and without observed GRBs. We construct models of the SN 2014ad UV+optical spectra using TARDIS, a 1D Monte-Carlo radiative-transfer spectral synthesis code. The models fit the data well at multiple epochs in the optical but underestimate the flux in the UV, likely due to simplifying assumptions. We find that high densities at high velocities are needed to reproduce the spectra, with $\sim$3 M$_\odot$ of material at $v >$ 22,000 km s$^{-1}$, assuming spherical symmetry. Our nebular line fits suggest a steep density profile at low velocities. Together, these results imply a higher total ejecta mass than estimated from previous light curve analysis and expected from theory. This may be reconciled by a flattening of the density profile at low velocity and extra emission near the center of the ejecta.

연구 동기 및 목표

• 브로드라인 타입 Ic 초신성(SN Ic-bl)이라는 희귀한 클래스로서 감마선 폭발(GRBs)과 직접적으로 연관된, 최초로 발표된 자외선 스펙트럼 확보 및 분석.
• 다중 에포크 자외선 및 광학 스펙트럼을 통한 SN 2014ad의 폭발 물리학, 원천 성질 및 분출 물질의 구조 이해.
• 표준 TARDIS 모델링이 관측된 자외선+광학 스펙트럼을 재현할 수 있는지 테스트하고, 분출 질량 및 밀도 구조에 대한 함의 평가.
• 고속 분출 물질과 중심 엔진 간의 관계를 탐색하기 위해 SN 2014ad를 다른 상대론적 SN Ic-bl 및 SN-GRB와 비교.

제안 방법

• 초기 단계에서 Hubble Space Telescope/Space Telescope Imaging Spectrograph(HST/STIS)를 사용해 SN 2014ad의 이중 에포크 자외선 스펙트럼 확보.
• 다양한 천체망원경에서 확보한 26개의 지상 기반 광학 스펙트럼을 활용해 밀도 높은 스펙트럼 시계열 구축.
• 분출 물질의 물리적 모델에서 자외선 및 광학 스펙트럼을 합성하기 위해 TARDIS 1D 몬테카를로 복사전달 코드 적용.
• 다양한 에포크에서 관측된 스펙트럼에 모델을 맞추기 위해 밀도, 조성 및 속도 구조를 변화시켜 데이터와 일치시키기.
• 구형 대칭성과 잠재적인 비대칭성의 모델 결과에 대한 영향 평가하며, 1D 모델링의 한계를 인정.
• 중성성선 프로파일(예: [O I] 6300/6364 Å)을 사용해 저속도 밀도 구조 추론 및 총 분출 질량 제약 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2014ad의 자외선 및 광학 스펙트럼을 통해 드러난 분출 물질의 물리적 성질은 무엇인가?
• RQ2 유도된 분출 속도 및 질량은 이전의 광도곡선 분석 및 다른 SN Ic-bl과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 1D TARDIS 모델이 관측된 자외선 복사율을 어느 정도 재현할 수 있으며, 불일치는 모델 가정에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 SN 2014ad의 분출 물질에 대한 암시되는 밀도 프로파일은 무엇이며, 기존 모델과 어떻게 다를까?
• RQ5 SN 2014ad는 SN-GRB 원천 체계와 일치하는가, 아니면 상대론적 SN Ic-bl의 별개의 클래스를 대표하는가?

주요 결과

• SN 2014ad는 극도로 높은 분출 속도를 보이며, Fe II 5169 Å 선이 v > 22,000 km s⁻¹까지 도달하여 어떤 SN Ic에서도 관측된 바 가장 높은 속도 중 하나이다.
• 자외선 스펙트럼은 넓고 특징이 없는 흡수를 보이며, 다른 SN Ic 스펙트럼의 도플러 브로드닝된 형태와 일치하지만, 강한 자외선 특징은 없었다.
• TARDIS 모델은 여러 에포크에서 광학 스펙트럼을 잘 맞추지만 체계적으로 자외선 복사율을 과소평가하며, 이는 현재 1D 모델링의 한계 또는 누락된 물리적 요소를 암시한다.
• 모델은 v > 22,000 km s⁻¹에서 약 3 M⊙의 물질이 필요로 하며, 이는 극도로 비대칭적이거나 중심에 집중된 질량 분포를 나타낸다.
• 신경선 피팅 결과는 저속도에서 급격한 밀도 프로파일을 시사하며, 이는 이전의 광도곡선 추정치보다 더 높은 총 분출 질량을 암시한다.
• 결과는 저속도에서 더 평탄한 밀도 프로파일과 가능성을 고려한 중심에서의 방출이 관측된 광도곡선과 높은 질량을 조화시키는 데 도움이 된다고 제안한다.