[论文解读] A Luminous Red Supergiant and Dusty Long-period Variable Progenitor for SN 2023ixf

J. Jencson, Jeniveve Pearson+24 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 31被引用 4

一句话总结

本研究利用斯皮策空间望远镜和地面望远镜在超新星爆发前获取的近红外与中红外成像，识别出SN 2023ixf的前身星为一颗具有周期性光变和尘埃包层的明亮红超巨星。该前身星质量为 $17 \pm 4~M_\odot$，光度极高（$\log L/L_\odot = 5.1 \pm 0.2$），爆发前的质量损失速率为 $3 \times 10^{-5}$ 至 $3 \times 10^{-4}~M_\odot~\text{yr}^{-1}$，表明其质量损失由脉动驱动，是目前已知具有直接成像约束的最明亮的II型超新星前身星之一。

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.

研究动机与目标

• 利用爆发前的红外成像识别并表征SN 2023ixf的直接前身星。
• 通过确定大质量红超巨星（$>18~M_\odot$）是否在II型超新星前身星样本中缺失，来解决“红超巨星难题”（'RSG problem'）。
• 通过光谱能量分布（SED）建模量化爆发前的质量损失速率和星周尘埃特性。
• 将前身星的光变与脉动周期与恒星演化晚期阶段的增强质量损失相联系。
• 实现前身星观测与早期超新星相互作用特征之间的直接对比。

提出的方法

• 分析2004至2023年期间档案中的斯皮策空间望远镜IRAC数据，检测前身星候选体的长期光变。
• 利用基特峰和梅奥天文台望远镜在J和Ks波段的近红外测光（2010–2023年），追踪光变并测量颜色。
• 采用二维尘埃与恒星大气模型对相位平均的光谱能量分布（SED）进行建模，推导有效温度与光度。
• 通过与恒星演化模型对比，基于推导出的 $T_{\mathrm{eff}}$ 和 $\log L/L_\odot$ 推断初始质量。
• 利用SED推导的尘埃特性与假设的风速（$v_w = 10~\text{km~s}^{-1}$）估算爆发前的质量损失速率。
• 通过交叉识别，将前身星与一颗具有约1000天脉动周期和 $\Delta m \approx 0.6~\text{mag}$ 光深的长周期变星（LPV）关联。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 SN 2023ixf的前身星性质为何？其光变是否与脉动红超巨星一致？
• RQ2 该前身星的初始质量与光度为何？与II型超新星前身星的理论预期相比如何？
• RQ3 爆发前的质量损失速率为何？是否与脉动驱动的风模型一致？
• RQ4 前身星的红外颜色与尘埃特性如何反映其演化状态与质量损失历史？
• RQ5 能否将早期超新星相互作用特征与前身星的星周环境直接关联？

主要发现

• 前身星表现出约1000天的周期性光变，光深幅度为 $\Delta m \approx 0.6~\text{mag}$，与红超巨星的径向脉动一致。
• 有效温度为 $T_{\mathrm{eff}} = 3500_{-1400}^{+800}$ K，光度为 $\log L/L_\odot = 5.1 \pm 0.2$，使其成为具有直接成像约束的最明亮II型超新星前身星之一。
• 恒星演化模型表明其初始质量为 $M_{\mathrm{init}} = 17 \pm 4~M_\odot$，表明其为大质量红超巨星。
• 在风速为10 km s⁻¹的假设下，爆发前的质量损失速率估算为 $\dot{M} \approx 3 \times 10^{-5}$ 至 $3 \times 10^{-4}~M_\odot~\text{yr}^{-1}$，表明存在可能由脉动驱动的增强质量损失。
• 未探测到爆发前的红外明亮喷发，表明质量损失是持续而非爆发性的。
• 前身星的J-Ks颜色为1.6 mag，且红外亮度极高（$M_{Ks} = -10.7$ mag），证实其为富含尘埃的演化红超巨星。

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 $J$