[论文解读] Millimeter Observations of the Type II SN2023ixf: Constraints on the Proximate Circumstellar Medium

E. Berger, Garrett K. Keating+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究利用甚宽谱阵列（SMA）对邻近的II型超新星SN 2023ixf进行了毫米波观测，在爆炸后18.6天内未在1.3毫米（230 GHz）波段探测到任何辐射。非探测结果将星周介质（CSM）的质量损失率限制在$< 10^{-6}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$或$> 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$，与光学光谱测量结果一致，但与基于X射线的估计存在矛盾，表明非均匀、受限的星周介质可能调和这一差异。

ABSTRACT

We present 1.3 mm (230 GHz) observations of the recent and nearby Type II supernova, SN2023ixf, obtained with the Submillimeter Array (SMA) at 2.6-18.6 days after explosion. The observations were obtained as part the SMA Large Program POETS (Pursuit of Extragalactic Transients with the SMA). We do not detect any emission at the location of SN2023ixf, with the deepest limits of $L_ν(230\,{ m GHz})\lesssim 8.6 imes 10^{25}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ at 2.7 and 7.7 days, and $L_ν(230\,{ m GHz})\lesssim 3.4 imes 10^{25}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ at 18.6 days. These limits are about a factor of 2 times dimmer than the mm emission from SN2011dh (IIb), about an order of magnitude dimmer compared to SN1993J (IIb) and SN2018ivc (IIL), and about 30 times dimmer than the most luminous non-relativistic SNe in the mm-band (Type IIb/Ib/Ic). Using these limits in the context of analytical models that include synchrotron self-absorption and free-free absorption we place constraints on the proximate circumstellar medium around the progenitor star, to a scale of $\sim 2 imes 10^{15}$ cm, excluding the range $\dot{M}\sim { m few} imes 10^{-6}-10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ (for a wind velocity, $v_w=115$ km s$^{-1}$, and ejecta velocity, $v_{ m eje}\sim (1-2) imes 10^4$ km s$^{-1}$). These results are consistent with an inference of the mass loss rate based on optical spectroscopy ($\sim 2 imes 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ for $v_w=115$ km s$^{-1}$), but are in tension with the inference from hard X-rays ($\sim 7 imes 10^{-4}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ for $v_w=115$ km s$^{-1}$). This tension may be alleviated by a non-homogeneous and confined CSM, consistent with results from high-resolution optical spectroscopy.

研究动机与目标

• 利用早期毫米波观测，约束SN 2023ixf前身星周围星周介质（CSM）的密度和质量损失率。
• 将毫米波段的约束与现有的光学和X射线测量结果进行比较，评估多波段诊断的一致性。
• 探究X射线与毫米波推断的质量损失率之间的差异是否可通过非球对称或受限的CSM几何结构得到调和。
• 检验包含同步辐射自吸收和自由-自由吸收的解析模型在解释非探测结果时的稳健性。
• 确立早期毫米波观测作为邻近核心坍缩超新星星周介质性质独立探针的实用性。

提出的方法

• 作为POETS大型计划的一部分，在爆炸后2.6至18.6天内，利用甚宽谱阵列（SMA）对SN 2023ixf进行了1.3毫米（230 GHz）观测。
• 使用标准校准源（3C454.3、Ceres、J1419+543、J1506+426）对SMA数据进行校准，并应用成像与去卷积技术生成深度连续谱图。
• 应用同步辐射自吸收和自由-自由吸收的解析模型来解释非探测结果，推导出光度和星周介质质量损失率的上限。
• 结合先前超新星研究中对电子能量分数（$\epsilon_{\rm e}$）和磁场能量分数（$\epsilon_{\rm B}$）的约束，以限制模型的退化问题。
• 将模型预测与多波段数据（包括光学闪光光谱和硬X射线观测）进行比较，以评估各诊断手段之间的一致性。
• 使用径向尺度$\sim 2 \times 10^{15}$ cm作为探测的最大距离，与光学和X射线诊断结果一致。

Figure 1: Map from the aggregate SMA data from all 6 epochs of observations, of the region around SN 2023ixf (white cross) overlaid on a false-color Hubble Space Telescope image, with the synthesized beam shown in the lower-left (white ellipse). We show contours of the 230 GHz (1.3 mm) continuum emi

实验结果

研究问题

• RQ1 在爆炸后2.7、7.7和18.6天，SN 2023ixf在毫米波段的光度上限是多少？
• RQ2 这些毫米波段的非探测结果如何约束前身星星周介质的质量损失率？
• RQ3 毫米波段的约束与早期光学光谱和硬X射线观测推导出的约束在多大程度上一致？
• RQ4 非均匀或受限的星周介质几何结构是否能调和X射线与毫米波段对星周介质密度估计之间的张力？
• RQ5 同步辐射自吸收和自由-自由吸收在塑造核心坍缩超新星毫米波发射中起什么作用？

主要发现

• 在SN 2023ixf位置未探测到1.3毫米波段的辐射，2.7和7.7天时的光度上限为$L_{\nu}(230\,{\rm GHz}) \lesssim 8.6 \times 10^{25}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$，18.6天时为$\lesssim 3.4 \times 10^{25}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$。
• 这些毫米波段光度上限比SN 2011dh（IIb型）低约2倍，比SN 1993J（IIb型）和SN 2018ivc（IIL型）低一个数量级，约为非相对论性超新星中毫米波段最明亮源的1/30。
• 非探测结果将星周介质质量损失率限制在$\dot{M} \lesssim 10^{-6}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$（通过同步辐射自吸收）或$\dot{M} \gtrsim 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$（通过自由-自由吸收），排除了$v_w = 115$ km s$^{-1}$时$\sim$几$\times 10^{-6} - 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$的范围。
• 毫米波段约束与基于光学光谱的估计$\dot{M} \sim 2 \times 10^{-2}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$（Jacobson-Galan et al., 2023）一致，但与基于X射线的估计$\dot{M} \sim 7 \times 10^{-4}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$（Grefenstette et al., 2023）存在矛盾。
• X射线与毫米波段估计之间的张力可能通过非均匀、径向受限的星周介质得到调和，如高分辨率光学光谱所示（Smith et al., 2023），这可能导致X射线来自低密度区域，而毫米波发射则在致密、受限的壳层中被吸收。
• 本研究证明，早期毫米波观测可在$\sim 10^{15}$ cm尺度上提供星周介质性质的独立、互补探针，其建模假设与光学或X射线诊断不同。

Figure 2: SMA 230 GHz upper limits for SN 2023ixf (black triangles; $3\sigma$ ) compared to the existing sample of CCSNe with early mm-band detections (squares: Type II; circles: Type Ib/c; Weiler et al. 2007 ; Soderberg et al. 2008 ; Gorosabel et al. 2010 ; Horesh et al. 2013a , b ; Chakraborti et