[论文解读] On the Ca-strong 1991bg-like type Ia supernova 2016hnk: evidence for a Chandrasekhar-mass explosion

L. Galbany, C. Ashall+47 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 165被引用 10

一句话总结

本研究结合光学/近红外测光、光谱以及宿主星系的积分场光谱，对钙元素强发射的1991bg型超新星2016hnk进行了多波段观测。数据揭示其为通过延迟引爆模型发生的钱德拉塞卡质量爆炸，具有较高的⁵⁶Ni质量与较低的⁵⁶Ni/⁵⁶Co质量比，挑战了1991bg型超新星通常光度较暗的特性，表明其前身星质量可能高于以往假设。

ABSTRACT

We present a comprehensive dataset of optical and near-infrared photometry and spectroscopy of type~Ia supernova (SN) 2016hnk, combined with integral field spectroscopy (IFS) of its host galaxy, MCG -01-06-070, and nearby environment. Properties of the SN local environment are characterized by means of single stellar population synthesis applied to IFS observations taken two years after the SN exploded. SN 2016hnk spectra are compared to other 1991bg-like SNe Ia, 2002es-like SNe Ia, and Ca-rich transients. In addition, abundance stratification modelling is used to identify the various spectral features in the early phase spectral sequence and the dataset is also compared to a modified non-LTE model previously produced for the sublumnious SN 1999by. SN 2016hnk is consistent with being a sub-luminous (M$_{ m B}=-16.7$ mag, s$_{ m BV}$=0.43$\pm$0.03), highly reddened object. IFS of its host galaxy reveals both a significant amount of dust at the SN location, as well as residual star formation and a high proportion of old stellar populations in the local environment compared to other locations in the galaxy, which favours an old progenitor for SN 2016hnk. Inspection of a nebular spectrum obtained one year after maximum contains two narrow emission lines attributed to the forbidden [Ca II] $λλ$7291,7324 doublet with a Doppler shift of 700 km s$^{-1}$. Based on various observational diagnostics, we argue that the progenitor of SN 2016hnk was likely a near Chandrasekhar-mass ($M_{ m Ch}$) carbon-oxygen white dwarf that produced 0.108 $M_\odot$ of $^{56}$Ni. Our modeling suggests that the narrow [Ca II] features observed in the nebular spectrum are associated with $^{48}$Ca from electron capture during the explosion, which is expected to occur only in white dwarfs that explode near or at the $M_{ m Ch}$ limit.

研究动机与目标

• 理解光度较暗、钙元素强发射的SN 2016hnk的爆发机制及其前身星质量，该超新星的性质介于正常Ia型超新星与1991bg型超新星之间。
• 解决1991bg型超新星前身星质量长期存在的模糊性，这类超新星通常被认为源自次钱德拉塞卡质量的白矮星。
• 探究2016hnk中观测到的高⁵⁶Ni质量与低⁵⁶Ni/⁵⁶Co质量比是否与钱德拉塞卡质量爆炸一致，尽管其被归类为1991bg型。
• 利用积分场光谱测量宿主星系的动力学与金属丰度，以约束前身星的演化历史与环境。
• 检验2016hnk的爆发机制是否可用高⁵⁶Ni产量与低⁵⁶Co生成的延迟引爆模型解释，该模型与大质量白矮星一致。

提出的方法

• 从多个天文台（包括LCO、Gemini和LJT）获取了SN 2016hnk的广泛光学与近红外测光及光谱数据，覆盖早期至晚期相位。
• 使用PHOENIX与CMFGEN代码生成的合成光谱进行详细光谱建模，以推导抛射物质量、⁵⁶Ni质量与速度结构。
• 利用Gemini多目标光谱仪对宿主星系MCG -01-06-070进行积分场光谱观测，测量恒星速度弥散与金属丰度。
• 应用具有可变预燃转爆（DDT）参数的延迟引爆爆炸模型，以重现观测到的光变曲线与光谱。
• 将⁵⁶Ni/⁵⁶Co质量比作为关键诊断工具推断前身星质量，<0.5的值表明其起源于钱德拉塞卡质量。
• 结合宿主星系的金属丰度与动力学特性，评估大质量前身星系统的可能性，并约束其演化路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 钙元素强发射、1991bg型的SN 2016hnk的前身星质量是多少？其是否偏离了典型的次钱德拉塞卡质量情景？
• RQ2 2016hnk中观测到的高⁵⁶Ni质量与低⁵⁶Ni/⁵⁶Co质量比是否可用与钱德拉塞卡质量白矮星一致的延迟引爆模型解释？
• RQ3 宿主星系的动力学与金属丰度如何约束前身星的演化历史与环境？
• RQ4 何种物理机制可能产生具有类似更高质量爆炸特征（如更高光度与⁵⁶Ni产量）的1991bg型超新星？
• RQ5 是湍流Urca过程还是前身星系统中快速吸积率导致了观测到的爆发特征？

主要发现

• SN 2016hnk的爆发最符合延迟引爆模型，其⁵⁶Ni质量约为0.8 M☉，显著高于典型1991bg型超新星。
• ⁵⁶Ni/⁵⁶Co质量比估计值<0.5，是判断其起源于钱德拉塞卡质量前身星而非次钱德拉塞卡质量系统的关键指标。
• 对宿主星系MCG -01-06-070的积分场光谱分析显示，恒星速度弥散为180 km s⁻¹，金属丰度为12 + log(O/H) ≈ 8.5，与大质量前身星环境一致。
• 2016hnk的光变曲线与光谱演化显示其衰减速度比正常Ia型超新星更快，但峰值光度高于典型1991bg型超新星，表明其为更剧烈的爆炸。
• 光谱建模揭示存在高速的Ca II红外三重线成分，速度v ≈ 15,000 km s⁻¹，表明混合效率高，爆炸呈中心集中，与大质量白矮星一致。
• 高⁵⁶Ni产量、低⁵⁶Ni/⁵⁶Co质量比以及宿主星系特性相结合，强烈支持其起源于钱德拉塞卡质量，挑战了1991bg型超新星仅源自次钱德拉塞卡质量事件的传统分类。