[论文解读] Lightcurve and spectral modelling of the Type IIb SN 2020acat. Evidence for a strong Ni bubble effect on the diffusion time

M. Ergon, Peter Lundqvist+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究使用 JEKYLL 光变曲线与光谱合成代码对 Ia 型 IIb 超新星 SN 2020acat 进行建模，表明富含镍的团块（称为“Ni 气泡”）的强烈膨胀对于同时拟合扩散相与禁线相至关重要。这种膨胀降低了有效消光系数，缩短了扩散 timescale，解决了先前模型未能解决的早期与晚期观测之间的矛盾，表明若忽略此效应，可能系统性低估激突包层超新星的抛射物质量。

ABSTRACT

We use the light curve and spectral synthesis code JEKYLL to calculate a set of macroscopically mixed Type IIb supernova (SN) models, which are compared to both previously published and new late-phase observations of SN 2020acat. The models differ in the initial mass, the radial mixing and expansion of the radioactive material, and the properties of the hydrogen envelope. The best match to the photospheric and nebular spectra and lightcurves of SN 2020acat is found for a model with an initial mass of 17 solar masses, strong radial mixing and expansion of the radioactive material, and a 0.1 solar mass hydrogen envelope with a low hydrogen mass-fraction of 0.27. The most interesting result is that strong expansion of the clumps containing radioactive material seems to be required to fit the observations of SN 2020acat both in the diffusion phase and the nebular phase. These "Ni bubbles" are expected to expand due to heating from radioactive decays, but the degree of expansion is poorly constrained. Without strong expansion there is a tension between the diffusion phase and the subsequent evolution, and models that fit the nebular phase produce a diffusion peak that is too broad. The diffusion phase lightcurve is sensitive to the expansion of the "Ni bubbles", as the resulting Swiss-cheese-like geometry decreases the effective opacity and therefore the diffusion time. This effect has not been taken into account in previous lightcurve modelling of stripped-envelope SNe, which may lead to a systematic underestimate of their ejecta masses. It should be emphasized, though, that JEKYLL is limited to a geometry that is spherically symmetric on average, and large-scale asymmetries may also play a role. The relatively high initial mass found for the progenitor of SN 2020acat places it at the upper end of the mass distribution of Type IIb SN progenitors, and a single star origin can not be excluded.

研究动机与目标

• 解决先前模型无法调和的 SN 2020acat 观测到的扩散相光变曲线与禁线相演化之间的矛盾。
• 研究宏观混合与放射性物质膨胀在塑造 IIb 型超新星光变曲线与光谱演化中的作用。
• 评估由于膨胀的富含镍团块引起的微尺度不对称性，是否显著改变有效消光系数与扩散 timescale。
• 通过自洽的光球相与禁线相建模，约束 SN 2020acat 的前身星质量与氢包层特性。
• 评估在标准光变曲线建模中忽略 Ni 气泡膨胀的影响，可能导致激突包层超新星抛射物质量系统性低估。

提出的方法

• 使用 JEKYLL 代码对 SN 2020acat 的光球相与禁线相光变曲线与光谱进行建模，包含非局部热动平衡（NLTE）效应。
• 计算一系列宏观混合的 IIb 型超新星模型，变化初始质量、放射性物质的径向混合与膨胀程度，以及氢包层质量与成分。
• 模型引入了类似瑞士起司的几何结构，由膨胀的富含镍团块形成，从而降低有效消光系数并缩短扩散 timescale。
• 通过匹配已发表与新的 SN 2020acat 晚期观测（包括 B、V 和 K 波段的测光与光谱）来调整模型参数。
• 通过对比具有与不具有放射性团块强烈膨胀的模型，量化 Ni 气泡膨胀对扩散 timescale 的影响。
• 建模考虑了宏观混合与团块膨胀，但假设平均几何结构为球对称，因此无法评估大尺度不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 富含镍团块（“Ni 气泡”）的膨胀是否显著影响 IIb 型超新星（如 SN 2020acat）的扩散 timescale 与光变曲线形状？
• RQ2 为何能拟合禁线相的模型无法再现 SN 2020acat 观测到的扩散峰宽度？通过引入 Ni 气泡膨胀是否可解决此矛盾？
• RQ3 由于膨胀的富含镍团块形成的类似瑞士起司的结构，有效消光系数降低到何种程度？这对光变曲线建模有何影响？
• RQ4 在标准光变曲线建模中忽略 Ni 气泡膨胀，会对激突包层超新星的推断抛射物质量产生何种影响？
• RQ5 大尺度不对称性或其他效应是否可解释观测到的差异？还是仅靠微尺度团块膨胀即可解决 SN 2020acat 中的矛盾？

主要发现

• SN 2020acat 的最佳拟合模型要求初始前身星质量为 17 M⊙，氢包层质量为 0.1 M⊙，氢质量分数较低（0.27），具有强烈的径向混合与放射性物质显著膨胀。
• 富含镍团块的强烈膨胀对于调和观测到的扩散峰宽度与禁线相演化至关重要，因其降低了有效消光系数并缩短了扩散 timescale。
• 若无强烈的 Ni 气泡膨胀，模型产生的扩散峰将过于宽泛，导致早期与晚期阶段之间出现无法仅通过其他参数调和的矛盾。
• 此前对激突包层超新星的光变曲线建模中未考虑 Ni 气泡膨胀对扩散 timescale 的影响，可能导致抛射物质量系统性低估。
• 模型显示在约 100 天后 K 波段出现增长的过量，类似于 SN 2011dh 中观测到的尘埃形成现象，但当前模型尚无法完全再现此现象。
• SN 2020acat 在约 100 天后观测到的平坦顶部 He i 1.083 μm 线轮廓未被模型再现，提示可能存在极端混合或非标准核燃烧条件。