[论文解读] Circumstellar Medium Constraints on the Environment of Two Nearby Type Ia Supernovae: SN 2017cbv and SN 2020nlb

David J. Sand, Sumit K. Sarbadhicary+24 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 192被引用 24

一句话总结

本研究对两颗邻近的Ia型超新星SN 2017cbv和SN 2020nlb进行了深度钱德拉X射线观测，发现爆炸后约16–18天内X射线发射的极限低于≈5.4×10³⁷ erg s⁻¹。这些极限将星周介质（CSM）的物质损失率限制在较低水平（Ṁ < 7.2×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹）和较低数密度（nCSM < 36 cm⁻³），从而排除了大多数涉及共生双星或显著风物质损失的单简并星前身星模型。

ABSTRACT

We present deep Chandra X-ray observations of two nearby Type Ia supernovae, SN 2017cbv and SN 2020nlb, which reveal no X-ray emission down to a luminosity $L_X$$\lesssim$5.3$ imes$10$^{37}$ and $\lesssim$5.4$ imes$10$^{37}$ erg s$^{-1}$ (0.3--10 keV), respectively, at $\sim$16--18 days after the explosion. With these limits, we constrain the pre-explosion mass-loss rate of the progenitor system to be $\dot{M}$$<$7.2$ imes$10$^{-9}$ and $<$9.7$ imes$10$^{-9}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ for each (at a wind velocity $v_w$=100 km s$^{-1}$ and a radius of $R$$\approx$10$^{16}$ cm), assuming any X-ray emission would originate from inverse Compton emission from optical photons up-scattered by the supernova shock. If the supernova environment was a constant density medium, we find a number density limit of n$_{CSM}$$<$36 and $<$65 cm$^{-3}$, respectively. These X-ray limits rule out all plausible symbiotic progenitor systems, as well as large swathes of parameter space associated with the single degenerate scenario, such as mass loss at the outer Lagrange point and accretion winds. We also present late-time optical spectroscopy of SN 2020nlb, and set strong limits on any swept up hydrogen ($L_{H\alpha}$$<$2.7$ imes$10$^{37}$ ergs s$^{-1}$) and helium ($L_{He, \lambda 6678}$$<$2.7$ imes$10$^{37}$ ergs s$^{-1}$) from a nondegenerate companion, corresponding to $M_{H}$$\lesssim$0.7--2$ imes$10$^{-3}$ M$_{\odot}$ and $M_{He}$$\lesssim$4$ imes$10$^{-3}$ M$_{\odot}$. Radio observations of SN 2020nlb at 14.6 days after explosion also yield a non-detection, ruling out most plausible symbiotic progenitor systems. While we have doubled the sample of normal type Ia supernovae with deep X-ray limits, more observations are needed to sample the full range of luminosities and sub-types of these explosions, and set statistical constraints on their circumbinary environments.

研究动机与目标

• 本文旨在利用深度X射线观测，约束两颗邻近Ia型超新星的星周环境。
• 研究目标是检验单简并星（SD）前身星模型的可行性，特别是涉及非致密伴星物质损失的模型。
• 本研究探讨是否能探测到由超新星激波加热电子反Compton散射光学光子所产生的X射线辐射。
• 通过结合X射线数据与晚期光学和射电观测，对前身星系统提供多波段约束。
• 本研究旨在通过扩展深度X射线观测的Ia型超新星样本，提升对Ia型超新星光学生殖多样性统计理解。

提出的方法

• 在SN 2017cbv和SN 2020nlb爆炸后约16–18天，进行了深度钱德拉X射线观测。
• 利用Margutti等人（2012）提出的反Compton发射模型，推导出X射线光度极限，假设相对论性电子在超新星激波中上转换光学光子。
• 星周介质（CSM）被建模为恒定密度的ISM类介质，或具有ρCSM = Ṁ/(4πR²vw)的风类介质。
• 通过将观测到的X射线上限与理论发射模型进行比较，推导出物质损失率（Ṁ）和数密度（nCSM）的限制。
• 利用SN 2020nlb的晚期光学光谱，搜索由压缩氢和氦产生的窄Hα和He λ6678发射线。
• 利用VLA在爆炸后约14.6天的射电观测，进一步约束致密星周介质的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在爆炸后约16–18天，SN 2017cbv和SN 2020nlb的星周介质X射线光度上限是多少？
• RQ2 这些X射线极限对前身星系统预爆炸物质损失率和星周介质数密度施加了何种约束？
• RQ3 能否基于X射线、光学和射电数据，排除单简并星模型中非致密伴星的存在？
• RQ4 X射线和多波段约束在多大程度上排除了这些Ia型超新星的共生前身星系统？
• RQ5 与先前对SN 2011fe和SN 2014J的X射线极限相比，这两颗超新星的结果在多大程度上限制了Ia型超新星前身星群体？

主要发现

• 未在SN 2017cbv或SN 2020nlb中探测到X射线发射，0.3–10 keV光度极限分别为LX ≲ 5.3×10³⁷ erg s⁻¹和≲5.4×10³⁷ erg s⁻¹。
• 假设为恒定密度的ISM类介质，星周介质（CSM）数密度被限制为nCSM < 36 cm⁻³（SN 2017cbv）和< 65 cm⁻³（SN 2020nlb）。
• 假设为风类CSM，预爆炸物质损失率被限制为Ṁ < 7.2×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹（SN 2017cbv）和< 9.7×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹（vw = 100 km s⁻¹，SN 2020nlb）。
• 这些X射线极限排除了所有可能的共生前身星系统，以及涉及外拉格朗日点物质损失或吸积风的单简并星模型中大部分参数空间。
• SN 2020nlb的晚期光学光谱对压缩氢（LHα < 2.7×10³⁷ erg s⁻¹）和氦（LHe,λ6678 < 2.7×10³⁷ erg s⁻¹）设定了强限制，对应质量分别为MH ≲ 0.7–2×10⁻³ M⊙和MHe ≲ 4×10⁻³ M⊙。
• 爆炸后14.6天的射电观测也未检测到信号，进一步排除了大多数可能的共生前身星系统，与X射线结果一致。