[论文解读] Long-rising Type II supernovae from PTF and CCCP

F. Taddia, J. Sollerman+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 74被引用 26

一句话总结

本研究基于帕洛玛瞬变源调查（PTF）和加州理工学院核心坍缩项目（CCCP）的样本，分析了六例长上升期II型超新星的光变曲线、光谱及宿主环境。结果证实，此类事件源于致密蓝超巨星（BSG）前身星，其中PTF12kso表现出该类中迄今测得最大的⁵⁶Ni质量，且低宿主金属度被确认为BSG驱动爆炸的关键特征。

ABSTRACT

Supernova (SN) 1987A was a peculiar H-rich event with a long-rising (LR) light curve (LC), stemming from a compact blue supergiant star (BSG). Only a few similar events have been presented in the literature. We present new data for a sample of 6 LR Type II SNe (SNe II), 3 of which were discovered and observed by the Palomar Transient Factory (PTF) and 3 observed by the Caltech Core-Collapse Project (CCCP). Our aim is to enlarge the family of LR SNe II, characterizing their properties. Spectra, LCs, and host-galaxies (HG) of these SNe are presented. Comparisons with known SN 1987A-like events are shown, with emphasis on the absolute magnitudes, colors, expansion velocities, and HG metallicities. Bolometric properties are derived from the multiband LC. By modeling the early-time LCs with scaling relations derived from the SuperNova Explosion Code (SNEC) models of MESA progenitor stars, we estimate the progenitor radii of these SNe and other progenitor parameters. We present PTF12kso, a LR SN II with the largest amount of 56Ni mass for this class. PTF09gpn and PTF12kso are found at the lowest HG metallicities for this SN group. The variety of early LC luminosities depends on the wide range of progenitor radii, from a few tens of solar radii (SN 2005ci) up to thousands (SN 2004ek) with intermediate cases between 100 (PTF09gpn) and 300 solar radii (SN 2004em). We confirm that LR SNe II with LC shapes closely resembling that of SN 1987A generally arise from BSGs. However, some of them likely have progenitors with larger radii (~300 solar radii, typical of yellow supergiants) and can thus be regarded as intermediate cases between normal SNe IIP and SN 1987A-like SNe. Some extended red supergiant (RSG) stars such as the progenitor of SN 2004ek can also produce LR SNe II if they synthesized a large amount of 56Ni. Low HG metallicity is confirmed as a characteristic of BSG SNe.

研究动机与目标

• 扩展与SN 1987A相似的长上升期II型超新星样本，其特征为光变曲线达到峰值的时间较长（≥84天），且在文献中较为罕见。
• 利用多波段光变曲线与光谱观测，表征这些事件的前身星与爆炸参数，包括前身星半径、⁵⁶Ni质量、爆炸能量与抛射物质量。
• 调查这些超新星宿主星系的金属度，检验低金属度环境是否有利于致密蓝超巨星爆炸的假设。
• 探讨在特定爆炸条件下，部分长上升期II型超新星是否可能源自更扩展的前身星，如黄超巨星或红超巨星。
• 增进对核心坍缩超新星中前身星结构、爆炸能量与光变曲线形态之间关联的理解。

提出的方法

• 获取并分析了来自PTF与CCCP巡天的六例长上升期II型超新星的光学光变曲线与光谱数据，包括此前未发表的数据。
• 通过多波段测光推导出光度曲线，以约束总辐射能量输出与能量预算。
• 应用MESA前身星模型的标度关系，基于早期光变曲线的上升时间估算前身星半径。
• 采用解析与半经验方法建模光度曲线，推断关键爆炸参数：⁵⁶Ni质量、爆炸能量与抛射物质量。
• 利用宿主星系光谱中的发射线比率（如R23、O3N2）测量宿主星系金属度，并通过NED数据与消光修正进行一致性检验。
• 利用宿主星系光谱中窄发射线的红移（PTF09gpn与PTF12kso）及WMAP5宇宙学模型估算距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 长上升期II型超新星的前身星半径为何？其与光变曲线上升时间及光度之间有何相关性？
• RQ2 长上升期II型超新星中喷射的⁵⁶Ni质量范围如何？与SN 1987A及其他已知事件相比有何差异？
• RQ3 低金属度宿主星系是否为长上升期II型超新星的显著特征，尤其是与SN 1987A相似的事件？
• RQ4 扩展的红超巨星前身星是否可能产生长上升期光变曲线？在何种爆炸条件下？
• RQ5 这些超新星的早期光变曲线形状如何反映其前身星结构与爆炸能量特性？

主要发现

• PTF12kso被确认为该类中迄今测得⁵⁶Ni质量最大的长上升期II型超新星，表明其经历了高度能量的爆炸。
• PTF09gpn与PTF12kso位于该超新星光组中金属度最低的宿主星系，支持低金属度与致密蓝超巨星前身星之间的关联。
• 前身星半径范围广泛：从约30 R⊙（SN 2005ci）至约300 R⊙（SN 2004em），而SN 2004ek的前身星半径接近1000 R⊙，表明前身星类型多样。
• SN 2004em的前身星半径约为300 R⊙，最适于解释为正常IIP型超新星与SN 1987A型事件之间的中间案例，其前身星可能为黄超巨星。
• 若能合成大量⁵⁶Ni，扩展的红超巨星前身星（如SN 2004ek）也可产生长上升期光变曲线，挑战了仅致密恒星能产生此类光变曲线的假设。
• 本研究证实，光变曲线与SN 1987A相似的长上升期II型超新星主要源于致密蓝超巨星，尽管在特定条件下，部分中间或扩展型前身星亦可产生类似光变曲线。