[논문 리뷰] A Luminous Red Supergiant and Dusty Long-period Variable Progenitor for SN 2023ixf

J. Jencson, Jeniveve Pearson외 24명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 14.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 스피itzer 및 지상 천체망원경에서 확보한 전폭발 근적외선 및 중적외선 영상 자료를 바탕으로, SN 2023ixf의 원형성으로서 밝은 빨간 초거성(LRSG)과 먼지가 풍부한 별주변 물질을 지닌 별을 특정하였다. 원형성의 질량은 $17 \pm 4~M_\odot$이며, 고도의 빛나는 성질($\log L/L_\odot = 5.1 \pm 0.2$)과 전폭발 질량 손실률 $3 \times 10^{-5}$에서 $3 \times 10^{-4}~M_\odot~\text{yr}^{-1}$을 가지며, 진동에 의해 유도된 질량 손실임을 시사하여, 직접 영상 제약 조건이 있는 타입 II 초신성 원형성 중 가장 밝은 편에 속한다.

ABSTRACT

We analyze pre-explosion near- and mid-infrared (IR) imaging of the site of SN 2023ixf in the nearby spiral galaxy M101 and characterize the candidate progenitor star. The star displays compelling evidence of variability with a possible period of $\approx$1000 days and an amplitude of $Δm \approx 0.6$ mag in extensive monitoring with the Spitzer Space Telescope since 2004, likely indicative of radial pulsations. Variability consistent with this period is also seen in the near-IR $J$ and $K_{s}$ bands between 2010 and 2023, up to just 10 days before the explosion. Beyond the periodic variability, we do not find evidence for any IR-bright pre-supernova outbursts in this time period. The IR brightness ($M_{K_s} = -10.7$ mag) and color ($J-K_{s} = 1.6$ mag) of the star suggest a luminous and dusty red supergiant. Modeling of the phase-averaged spectral energy distribution (SED) yields constraints on the stellar temperature ($T_{\mathrm{eff}} = 3500_{-1400}^{+800}$ K) and luminosity ($\log L/L_{\odot} = 5.1\pm0.2$). This places the candidate among the most luminous Type II supernova progenitors with direct imaging constraints, with the caveat that many of these rely only on optical measurements. Comparison with stellar evolution models gives an initial mass of $M_{\mathrm{init}} = 17\pm4 M_{\odot}$. We estimate the pre-supernova mass-loss rate of the star between 3 and 19 yr before explosion from the SED modeling at $\dot M \approx 3 imes10^{-5}$ to $3 imes10^{-4} M_{\odot}$ yr$^{-1}$ for an assumed wind velocity of $v_w = 10$ km s$^{-1}$, perhaps pointing to enhanced mass loss in a pulsation-driven wind.

연구 동기 및 목표

• 전폭발 적외선 영상 자료를 활용하여 SN 2023ixf의 직접 원형성을 규명하고 특성화하는 것.
• 고질량 빨간 초거성($>18~M_\odot$)이 타입 II 초신성 원형성 샘플에서 부족한 현상인 'RSG 문제'를 해결하기 위해, 그러한 별이 실제로 존재하는지 여부를 규명하는 것.
• 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링을 통해 폭발 전 질량 손실률과 별주변 먼지 특성을 정량화하는 것.
• 원형성의 변동성과 진동 주기와 저연령 별의 진화 및 강화된 질량 손실 간의 연관성을 규명하는 것.
• 원형성 관측 결과와 초기 시기 초신성 상호작용 서명 간 직접 비교를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 2004~2023년 기간 동안의 기록된 스피처 우주망원경 IRAC 데이터 분석을 통해 원형성 후보의 장기적 변동성을 탐지하는 것.
• 지미니 및 MMT 망원경에서 확보한 J 및 Ks 대역의 근적외선 광도 측정 자료(2010~2023년)를 활용하여 변동성과 색상을 추적하는 것.
• 2차원 먼지 모델과 별대기 모델을 사용한 단일 위상 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링을 통해 효과적 온도와 빛나는 성질을 유도하는 것.
• 유도된 T_eff와 log L/L_\odot 값을 기반으로 초기 질량를 추론하기 위해 별진화 모델과 비교하는 것.
• SED에서 유도된 먼지 특성과 가정된 풍속(v_w = 10 km s⁻¹)을 활용하여 폭발 전 질량 손실률을 추정하는 것.
• 1000일 주기의 장기 주기 변동성(1000-day pulsation period)과 Δm ≈ 0.6 mag의 진폭을 보이는 장기 주기 변동성(지속적 변동성, LPV) 별과 원형성의 교차 식별

Figure 1: IR pre-explosion imaging of the site of SN 2023ixf. The source identified as the progenitor candidate is indicated by the white crosshairs at the center of each panel. In the left column, we show the Spitzer/IRAC [3.6] (top) and [4.5] (bottom) Super Mosaics. In the bottom center and right

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 2023ixf의 원형성 별은 어떤 성질을 지니며, 그 변동성은 진동하는 빨간 초거성과 일치하는가?
• RQ2 원형성의 초기 질량와 빛나는 성질은 무엇이며, 타입 II 초신성 원형성에 대한 이론적 기대와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ3 폭발 전 질량 손실률은 얼마이며, 진동에 의해 유도된 풍속 모델과 일치하는가?
• RQ4 원형성의 적외선 색상과 먼지 특성은 어떤 진화 상태와 질량 손실 역사와 관련이 있는가?
• RQ5 초기 초신성 상호작용 서명은 원형성의 별주변 환경과 직접적으로 연결될 수 있는가?

주요 결과

• 원형성 별은 약 1000일 주기의 주기적 변동성을 보이며, 진폭은 Δm ≈ 0.6 mag로, 빨간 초거성 내에서 볼 수 있는 반경 방향 진동과 일치한다.
• 효과적 온도는 $T_{\mathrm{eff}} = 3500_{-1400}^{+800}$ K이며, 빛나는 성질은 $\log L/L_\odot = 5.1 \pm 0.2$로, 직접 영상 제약 조건이 있는 타입 II 초신성 원형성 중 가장 밝은 편에 속한다.
• 별진화 모델링 결과, 초기 질량는 $M_{\mathrm{init}} = 17 \pm 4~M_\odot$로 추정되어 고질량 빨간 초거성임을 시사한다.
• 폭발 전 질량 손실률은 $\dot{M} \approx 3 \times 10^{-5}$에서 $3 \times 10^{-4}~M_\odot~\text{yr}^{-1}$로 추정되며, 10 km s⁻¹의 풍속을 가정할 경우 진동에 의해 유도된 질량 손실일 가능성이 높다.
• 폭발 이전에 적외선에서 밝은 폭발(출구)은 관측되지 않아 질량 손실이 일시적인 것이 아니라 일관된 방식으로 진행된 것으로 보인다.
• 원형성의 J-Ks 색상은 1.6 mag이며, 고도의 적외선 빛나는 성질(M_Ks = -10.7 mag)은 먼지가 풍부하고 진화한 빨간 초거성임을 확인한다.

Figure 2: Mid- and near-IR pre-explosion light curves of the SN 2023ixf progenitor candidate. Mid-IR [3.6] and [4.5] Spitzer light curves are based on image subtraction (filled gray circles and black squares, respectively) relative to PSF photometry on the 2004 Super Mosaics (open symbols). The $J$