[论文解读] A Multiple Ejecta-Circumstellar Meduim Interaction Model and Its Implications for the Superluminous Supernova iPTF15esb

Liang-Duan Liu, Ling‐Jun Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出一种多重喷射物-星周介质（CSM）相互作用模型，用以解释氢缺乏超亮超新星 iPTF15esb 的双峰光曲线和宽Hα发射线。该模型包含三次独立的质量抛射事件——两层壳层和一股星风——其与超新星喷射物的顺序相互作用，重现了观测到的光曲线与温度演化，表明爆炸前至少发生过三次剧烈的前身体喷发。

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.

研究动机与目标

• 解释 iPTF15esb 异常光曲线的原因，其特征为两个明亮峰值及爆炸后平台期，标准能量源模型无法解释。
• 研究 SN 喷射物与先前存在的星周壳层/星风之间的多重相互作用是否能重现观测到的总光度光曲线与温度演化。
• 根据光曲线与光谱特征（尤其是晚期宽 Hα 发射线）推断前身体的质量抛射历史。
• 检验推断出的 CSM 特性（质量、密度、半径）是否与恒星结构及已知前身体演化模型一致。
• 探讨该模型对理解富含氢的星周物质的超亮超新星前身体演化的影响。

提出的方法

• 将标准单壳层喷射物-CSM 相互作用模型推广至包含多个壳层与星风，具有不同的抛射时间和质量。
• 模拟每次相互作用产生的前向激波与后向激波动力学，通过动能转化计算能量沉积与亮度。
• 采用双幂律密度分布描述星周介质中质量与密度的径向依赖关系。
• 将理论光曲线与黑体温度演化拟合 Yan 等人（2017）的观测数据，调整 CSM 质量、抛射时间与速度等参数。
• 利用观测到的 Hα 发射线约束，将最外层 CSM 壳层位置确定在 ~10^15 cm 处，其抛射时间约为爆炸前 15.5 年。
• 假设星风速度恒定（1000 km/s），壳层速度恒定（100 km/s），以推导质量损失率与光学厚度。

实验结果

研究问题

• RQ1 多重喷射物-CSM 相互作用模型能否解释 iPTF15esb 的双峰光曲线与平台期？
• RQ2 为重现观测到的光曲线特征，前身体质量抛射事件的数量与时间如何？
• RQ3 推断出的 CSM 壳层与星风特性（质量、密度、半径）是否与恒星结构及已知前身体演化模型一致？
• RQ4 该相互作用模型如何解释晚期光谱中观测到的宽 Hα 发射线？
• RQ5 该模型对前身体质量损失率与星风速度施加了何种约束？

主要发现

• 多重喷射物-CSM 相互作用模型成功重现了 iPTF15esb 的总光度光曲线与温度演化，匹配两个峰值及 40 天平台期。
• 该模型要求至少三次独立的质量抛射事件：两层壳层与一股星风，分别于爆炸前 15.5 年、6.9 年与 0.03 年抛射。
• CSM 壳层质量由外向内递减，分别为 0.40 M☉（最外层）至 1.45 M☉（最内层），其密度递增，与前身体内部恒星结构一致。
• 在假设星风速度为 1000 km/s 的前提下，推断出的星风质量损失率约为 0.43 M☉ yr⁻¹，表明其为极高质量损失率，典型特征为沃尔夫-拉叶星。
• 首个峰值由与星风的相互作用驱动，而第二个峰值与平台期则源于与两层外层壳层的相互作用。
• 宽 Hα 发射线与大半径处的相互作用一致（~10^15 cm），对应于爆炸前 15.5 年抛射的最外层壳层。