[论文解读] High resolution spectroscopy of SN~2023ixf's first week: Engulfing the Asymmetric Circumstellar Material

Nathan Smith, Jeniveve Pearson+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 8

一句话总结

论文在发现后的第一周内对 SN 2023ixf 进行了夜间高分辨率光谱观测，揭示圆周物质的快速变化与非对称性，并将 CSM 的尺度约束在 ~20–30 AU。

ABSTRACT

We present a series of high-resolution echelle spectra of SN~2023ixf in M101, obtained nightly during the first week or so after discovery using PEPSI on the LBT. NaID absorption in these spectra indicates a host reddening of $E(B-V)$=0.031~mag and a systemic velocity of $+$7~km~s$^{-1}$ relative to the average redshift of M101. Dramatic changes are seen in in the strength and shape of strong emission lines emitted by CSM, including HeII4686, CIV5801,5811, H$α$, and NIV7109,7123. In general, these narrow lines broaden to become intermediate-width lines before disappearing from the spectrum within a few days, indicating a limited extent to the dense CSM of around 20-30 AU (or $\la$10$^{14.7}$ cm). H$α$ persists in the spectrum for about a week as an intermediate-width emission line with P~Cyg absorption at 700-1300 km s$^{-1}$ arising in the post-shock shell of swept-up CSM. Early narrow emission lines are blueshifted and indicate an expansion speed in the pre-shock CSM of about 115 km s$^{-1}$, but with even broader emission in higher ionization lines. This is faster than the normal winds of red supergiants, suggesting some mode of eruptive mass loss from the progenitor or radiative acceleration of the CSM. A lack of narrow blueshifted absorption suggests that most of the CSM is not along our line of sight. This and several other clues indicate that the CSM of SN~2023ixf is significantly aspherical. We find that CSM lines disappear after a few days because the asymmetric CSM is engulfed by the SN photosphere.

研究动机与目标

• 通过时间序列高分辨率光谱学表征 SN 2023ixf 的即时圆周环境。
• 从分子内 Na I D 吸收中量化红化与系统速度，以锚定宿主环境。
• 追踪高离子化与 H 线的演化，以推断 CSM 的几何形状与大量损失历史。

提出的方法

• 在爆发后第2–9天，使用 LBT 的 PEPSI 获取夜间高分辨率 echelle 光谱（R~50,000，6 km s^-1）。
• 测量 Na I D 等效宽度，依据 Poznanski 等人（2012）的关系确定宿主红化。
• 分解并追踪窄、中等宽度的发射线演化（He II 4686、C IV 5801/5811、N IV 7109/7123、Hα、He I 5876）。
• 用洛伦兹拟合/高斯拟合从线轮廓中减去，以比较电子散射翼及后冲击冷却信号。
• 利用线质心位移和线宽来推断冲击前 CSM 速度 (~115 km s^-1) 与冲击后 CDS 动力学 (~500–1000 km s^-1)。

实验结果

研究问题

• RQ1 在爆发后第一周内，SN 2023ixf 的 CSM 相互作用信号的性质与时间尺度是什么？
• RQ2 CSM 的几何形状是否以非对称为主，这在线轮廓及其演化中如何体现？
• RQ3 通过早期高分辨率光谱学得到的红化、系统速度与前体质量损失历史的约束是什么？
• RQ4 高离子化线（He II、C IV、N IV）的演化如何与离子化源及冲击在 CSM 中的推进相关？

主要发现

• Na I D 的星际吸收给出宿主红化 E(B-V) = 0.031 mag 与相对于 M101 的系统速度 +7 ± 1 km s^-1。
• 高离子化窄线（He II 4686、C IV 5801/5811、N IV 7109/7123）以 ~50–150 km s^-1 的蓝移与在 3–4 天内消失，指示一个紧凑密集的 CSM 约为 ~20–30 AU。
• Hα 从带有宽洛伦兹翼的窄分量演化为在大约一周内变成清晰的中等宽度的 P Cygni 型轮廓，最大红翼速度从 ~2000 km s^-1 降至 ~1000 km s^-1。
• He II 衰减，He I 5876 在 4–5 天内增强，表明冲击后气体的冷却与再结合在 ~500–1000 km s^-1 处发生。
• 缺乏持续的窄蓝移吸收且在约第7–8天后 CSM 线条消失，表明大部分 CSM 已被 SN 光度面吞没且高度非对称。
• CSM 的速度与快速演化指向爆发前的一次性或阶段性质量损失，而非稳恒风。