[논문 리뷰] A Multiple Ejecta-Circumstellar Meduim Interaction Model and Its Implications for the Superluminous Supernova iPTF15esb

Liang-Duan Liu, Ling‐Jun Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 06.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 수소가 풍부하지 않은 초광명 초신성 iPTF15esb의 이중 피크 광도 곡선과 넓은 Hα 선형 발광을 설명하기 위해 다중 ejecta-가운성중성물질(CSM) 상호작용 모델을 제안한다. 이 모델은 세 개의 이산 질량 손실 사건—두 개의 쉘과 하나의 바람—을 포함하며, 이들이 초신성 ejecta와 순차적으로 상호작용하여 관측된 광도 곡선과 온도 변화를 재현한다. 이는 폭발 이전에 적어도 세 차례의 폭발적인 원형성 별 분출가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Recently, a hydrogen-poor superluminous supernova (SLSN) iPTF15esb at redshift $z=0.224$ was reported, whose light curve (LC) and spectrum show several unusual characteristics. Its late-time spectrum shows a strong, broad H$α$ emission line and the bolometric LC exhibits two peaks and a post-peak plateau. Here we propose an ejecta-circumstellar medium (CSM) interaction model involving multiple shells and winds to explain this double-peak SN. We find that the theoretical LC reproduced by this model can well match the observations of iPTF15esb. Based on this result, we infer that the progenitor has undergone at least three violent mass-loss processes before the SN explosion. Furthermore, we find that the masses of the CSM wind and shells from the outermost shell (the first eruption) to the innermost wind (the final eruption) decrease sequentially but their densities increase. The variation trend of the inferred densities of the shells and wind is consistent with the stellar structure before an SN explosion. Further investigations for similar SLSNe would provide a probe for the mass-loss history of their progenitors.

연구 동기 및 목표

• 표준 에너지원 모델로 설명되지 않는, 두 개의 빛나는 피크와 폭발 후 플랫폼을 보이는 iPTF15esb의 이례적인 광도 곡선을 설명하기 위해.
• 초신성 ejecta와 사전 존재하는 원형성 쉘/바람 간의 다중 상호작용이 관측된 볼로메트릭 광도 곡선과 온도 변화를 재현할 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 후기 시기의 넓은 Hα 발광을 바탕으로 광도 곡선과 스펙트럼 특징으로부터 원형성 별의 질량 손실 역사를 추론하기 위해.
• 유도된 CSM 특성(질량, 밀도, 반경)이 별의 구조와 알려진 원형성 별 진화 모델과 일치하는지 테스트하기 위해.
• 수소가 풍부한 원형성물질을 지닌 초광명 초신성의 원형성 별 진화를 이해하는 데 이 모델이 미치는 함의를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 표준 단일 쉘 ejecta-CSM 상호작용 모델을 다중 쉘과 바람을 포함하도록 일반화하여, 각각의 탄도 시간과 질량이 다를 수 있도록 한다.
• 각 상호작용에서 발생하는 전진 및 역행 충격파 역학을 모델링하고, 운동 에너지의 전환을 통해 에너지 침식과 광도를 계산한다.
• 원형성중성물질의 반경 방향 질량과 밀도의 변화를 기술하기 위해 이중 거듭제곱 법칙 밀도 프로파일을 사용한다.
• Yan 등(2017)의 관측 데이터에 이론적 광도 곡선과 블랙바디 온도 변화를 맞추기 위해 CSM 질량, 탄도 시간, 속도 등의 매개변수를 조정한다.
• 관측된 Hα 발광을 고려하여 외부 CSM 쉘의 위치를 약 10^15 cm로 추정하고, 폭발 약 15.5년 전에 탄도된 것으로 확인한다.
• 일정한 바람 속도(1000 km/s)와 쉘 속도(100 km/s)를 가정하여 질량 손실률과 광학 두께를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 ejecta-CSM 상호작용 모델이 iPTF15esb의 이중 피크 광도 곡선과 플랫폼을 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 광도 곡선 특징을 재현하기 위해 필요한 원형성 별 질량 손실 사건의 수와 타이밍는 무엇인가?
• RQ3 유도된 CSM 쉘 및 바람 특성(질량, 밀도, 반경)은 별의 구조와 알려진 원형성 별 진화 모델과 일치하는가?
• RQ4 이 상호작용 모델은 후기 시기 스펙트럼에서 관측된 넓은 Hα 발광을 어떻게 설명하는가?
• RQ5 이 모델은 원형성 별의 질량 손실률과 바람 속도에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 다중 ejecta-CSM 상호작용 모델은 iPTF15esb의 볼로메트릭 광도 곡선과 온도 변화를 성공적으로 재현하며, 두 피크와 40일 플랫폼 모두를 정확히 일치시킨다.
• 이 모델은 최소한 세 개의 별개의 질량 손실 사건—두 개의 쉘과 하나의 바람—이 필요하며, 각각 폭발 15.5년, 6.9년, 0.03년 전에 탄도된 것으로 추정된다.
• CSM 쉘 질량은 외부에서 내부로 갈수록 감소하여 0.40 M☉(외부)에서 1.45 M☉(내부)로 변화하며, 이는 원형성 별의 내부 별 구조와 일치한다.
• 1000 km/s의 속도를 가정할 경우 유도된 바람 질량 손실률은 약 0.43 M☉ yr⁻¹로, 월프-레일리 별에서 흔히 관찰되는 극도로 높은 질량 손실률을 나타낸다.
• 첫 번째 피크는 바람과의 상호작용에 의해 공급되며, 두 번째 피크와 플랫폼은 두 개의 외부 쉘과의 상호작용에 기인한다.
• 넓은 Hα 발광은 약 10^15 cm의 큰 반경에서의 상호작용과 일치하며, 이는 폭발 약 15.5년 전에 탄도된 외부 쉘과 대응한다.