[论文解读] Far-Ultraviolet to Near-Infrared Observations of SN 2023ixf: A high energy explosion engulfed in complex circumstellar material

Rishabh Singh Teja, Avinash Singh+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本研究对SN 2023ixf在爆发后数日内从远紫外到近红外波段进行了多波长测光与光谱观测，揭示了一例高能型II型超新星与致密壳状星周介质（CSM）相互作用，该介质形成于此前35–65年前的增强质量流失。关键发现为：光度曲线的明亮特征及多峰Hα发射线由高能爆发与持续的CSM相互作用共同驱动，CSM被限制在约75–140 AU范围内，质量流失率约为10⁻³.⁰±⁰.⁵ M☉ yr⁻¹。

ABSTRACT

We present early-phase panchromatic photometric and spectroscopic coverage spanning far-ultraviolet (FUV) to the near-infrared (NIR) regime of the nearest hydrogen-rich core-collapse supernova in the last 25 years, SN 2023ixf. We observe early 'flash' features in the optical spectra due to a confined dense circumstellar material (CSM). We observe high-ionization absorption lines (FeII, MgII) in the ultraviolet spectra from very early on. We also observe a multi-peaked emission profile of H-alpha in the spectrum beginning ~16 d, which indicates ongoing interaction of the SN ejecta with a pre-existing shell-shaped CSM having an inner radius of ~75 AU and an outer radius of ~140 AU. The shell-shaped CSM is likely a result of enhanced mass loss ~35-65 years before the explosion assuming a standard Red-Supergiant wind. The UV spectra are dominated by multiple highly ionized narrow absorption features and broad emission features from elements such as C, N, O, Si, Fe, and Ni. Based on early light curve models of Type II SNe, we infer that the nearby dense CSM confined to (7+-3)e14cm (~45 AU) is a result of enhanced mass loss (10^{-3.0+-0.5} Msol/yr) two decades before the explosion.

研究动机与目标

• 理解SN 2023ixf周围致密星周物质（CSM）的起源与特性，该超新星是25年来距离最近的核心坍缩超新星。
• 研究星周介质相互作用在塑造SN 2023ixf早期光度曲线与光谱演化中的作用。
• 利用多波段数据（特别是从UV到NIR）约束前身星的质量流失历史。
• 区分爆发能量与星周介质相互作用对异常高光度峰值（MV ≈ -18.1 mag）的相对贡献。

提出的方法

• 利用地面望远镜（HCT、GIT、KT）与空间观测平台（Swift、AstroSat）在爆发后2天内开展从远紫外（FUV）到近红外（NIR）的全波段测光与光谱监测。
• 在光学与紫外光谱中识别出早期闪光特征，包括高电离谱线（Fe II、Mg II）与宽发射线（C、N、O、Si、Fe、Ni），表明由激波爆发电离及持续的相互作用所致。
• 分析爆发后约16天开始出现的多峰Hα轮廓，推断出壳状星周介质的内半径约75 AU，外半径约140 AU。
• 利用大量相互作用型II型超新星的理论光度曲线模型网格，推断星周介质的性质，包括密度与质量流失率。
• 应用标准红超巨星（RSG）风模型，估算前身星在爆发前约35–65年发生的增强质量流失事件。
• 将观测光度曲线与模型网格进行比较，以约束爆发能量与星周介质相互作用对峰值光度的相对贡献。

Figure 1: Optical spectral evolution for SN 2023ixf from HCT, Perley & Gal-Yam ( 2023 ) and Stritzinger et al. ( 2023 ) . The spectra are corrected for the redshift of the host galaxy M 101, and the epochs are labeled with respect to our adopted explosion epoch. Top: Left: Early time spectral sequen

实验结果

研究问题

• RQ1 SN 2023ixf周围的致密星周介质（CSM）的起源与结构是什么？它何时形成？
• RQ2 超新星喷流与星周介质的相互作用如何影响SN 2023ixf的早期光度曲线与光谱演化？
• RQ3 前身星在爆发前的质量流失率与时间尺度是多少？
• RQ4 SN 2023ixf异常高的峰值光度（MV ≈ -18.1 mag）在多大程度上由星周介质相互作用引起，而非其本身爆发能量？
• RQ5 星周介质的物理几何结构如何影响观测到的多峰Hα发射线轮廓？

主要发现

• 早期UV与光学光谱中持续存在高电离吸收线（Fe II、Mg II）及C、N、O、Si、Fe、Ni的宽发射特征，表明由激波爆发电离与持续的星周介质相互作用所致。
• 爆发后约16天出现多峰Hα发射轮廓，表明与从约75 AU至140 AU的壳状星周介质持续相互作用。
• 星周介质与约10⁻³.⁰±⁰.⁵ M☉ yr⁻¹的质量流失率一致，形成于爆发前约35–65年前，假设为标准RSG风模型。
• 附近致密星周介质被限制在约7±3×10¹⁴ cm（约45 AU）范围内，由早期光度曲线建模与闪光特征衰减 timescales 推断得出。
• 峰值光度MV ≈ -18.1 mag显著高于典型II型超新星（MV ≈ -16.7 mag），可能由高能爆发与星周介质相互作用共同导致。
• 光度曲线建模表明，高能爆发与星周介质相互作用均对光度有贡献，但两者相对权重尚不明确，需进一步监测以约束。

Figure 2: Left: NUV spectral evolution for SN 2023ixf obtained using Swift/UVOT. Right: Top: FUV spectral evolution obtained using Astrosat/UVIT and the SYNAPPS fit to the spectrum of $\sim$ 7 d and $\sim$ 12 d. Bottom: Spectral comparison of NUV spectra with other Type II SNe.