[논문 리뷰] SN 2020udy: a SN Iax with strict limits on interaction consistent with a helium-star companion

K. Maguire, M. Magee외 25명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 초신성 폭발 후 7시간 이내에 발견된 근거리의 Type Iax 초신성 SN 2020udy를 제시하며, 초기 단계에서 매우 정밀한 광도 곡선과 다중 파장 광도 측정을 제공한다. 이는 모든 관측 각도에서 질량 2와 6 M⊙인 주계열 별 동반성의 존재를 배제하며, 좁은 각도 창문(140–180°) 내에서 헬륨 성분의 동반성에 강력한 지지를 보이며, 근접한 찬드라세카르 질량의 CO 백색왜성에서 불완전한 빠른염소화가 발생하고 상호작용의 징후가 최소한인 것과 일치한다.

ABSTRACT

Early observations of transient explosions can provide vital clues to their progenitor origins. In this paper we present the nearby Type Iax (02cx-like) supernova (SN), SN 2020udy that was discovered within hours ($\sim$7 hr) of estimated first light. An extensive dataset of ultra-violet, optical, and near-infrared observations was obtained, covering out to $\sim$150 d after explosion. SN 2020udy peaked at -17.86$\pm$0.43 mag in the r band and evolved similarly to other 'luminous' SNe Iax, such as SNe 2005hk and 2012Z. Its well-sampled early light curve allows strict limits on companion interaction to be placed. Main-sequence companion stars with masses of 2 and 6 M$_\odot$ are ruled out at all viewing angles, while a helium-star companion is allowed from a narrow range of angles (140-180$^\circ$ away from the companion). The spectra and light curves of SN2020udy are in good agreement with those of the 'N5def' deflagration model of a near Chandrasekhar-mass carbon-oxygen white dwarf. However, as has been seen in previous studies of similar luminosity events, SN 2020udy evolves slower than the model. Broad-band linear polarisation measurements taken at and after peak are consistent with no polarisation, in agreement with the predictions of the companion-star configuration from the early light curve measurements. The host galaxy environment is low metallicity and is consistent with a young stellar population. Overall, we find the most plausible explosion scenario to be the incomplete disruption of a CO white dwarf near the Chandrasekhar-mass limit, with a helium-star companion.

연구 동기 및 목표

• 초기 관측을 통해 SN 2020udy의 원형 시스템의 성격을 제약하기 위해.
• SNe Iax의 광도 곡선과 스펙트럼에서 동반성의 상호작용 징후가 감지 가능한지 테스트하기 위해.
• 관측된 광도 및 편광 데이터가 헬륨 성분의 동반성 시나리오와 일치하는지 확인하기 위해.
• SN 2020udy의 광도 곡선과 스펙트럼 진화를 바탕으로 'N5def' 빠른염소화 모델의 타당성을 평가하기 위해.
• 은하계 환경과 그 원형 시스템의 연령 및 금속성에 대한 함의를 평가하기 위해.

제안 방법

• 폭발 후 첫 150일 동안 UV에서 적외선에 이르는 초고정밀 다중 대역 광도 측정을 확보하였다.
• 스펙트럼 진화를 추적하고 잠재적 동반성 상호작용의 발광 특징을 식별하기 위해 고주기 스펙트럼 측정을 수행하였다.
• 피크 시점과 그 이후의 광역 선형 편광 측정을 통해 비대칭 기하학과 관측 각도를 제약하였다.
• 'N5def' 빠른염소화 모델을 사용하여 근접한 찬드라세카르 질량의 CO 백색왜성의 광도 곡선과 스펙트럼을 관측 결과와 비교하였다.
• 동반성의 에너지 손실과 충격加열로 인한 광도 곡선 왜곡을 모델링하여 상호작용에 대한 엄격한 제약 조건을 적용하였다.
• 폭발 이전 이미징과 후기 데이터를 분석하여 동반성의 존재 및 생존 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 광도 곡선 모델링을 통해 SN 2020udy에서 동반성 질량과 관측 각도에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 UV, 가시광선, 근적외선 광도 곡선에서 동반성의 상호작용 징후는 어느 정도 감지 가능한가?
• RQ3 'N5def' 빠른염소화 모델이 SN 2020udy의 관측된 광도 곡선과 스펙트럼 진화를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 관측된 선형 편광은 대칭 폭발과 일치하는가, 아니면 동반성으로 인한 비대칭 기하학을 반영하는가?
• RQ5 은하계 환경과 항성 집단 연령은 원형 시스템의 진화 역사에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• SN 2020udy는 첫 빛이 나는 지점 이래 7시간 이내에 발견되어, 상호작용에 대한 가장 엄격한 초기 제약 조건을 확보하였다.
• 충격加열과 기계적 손실로 인한 기대 광도 곡선 왜곡으로 인해, 질량 2와 6 M⊙인 주계열 별 동반성은 모든 관측 각도에서 배제된다.
• 헬륨 성분의 동반성은 동반성으로부터 140°에서 180° 사이의 관측 각도에서만 일치하며, 이는 매우 비대칭적인 관측 기하학을 시사한다.
• SN 2020udy의 광도 곡선과 스펙트럼은 근접한 찬드라세카르 질량의 CO 백색왜성에서의 'N5def' 빠른염소화 모델과 잘 맞는다.
• 피크 시점과 그 이후의 광역 선형 편광 측정에서 유의미한 편광이 관측되지 않아, 대칭 폭발과 동반성 구성과의 일관성을 지지한다.
• 은하계는 저금속성이며 젊은 항성 집단을 포함하고 있어, 원형 시스템의 가능성이 젊고 진화 시간 스케일에 부합한다.