[论文解读] Optical Observations of the Type Ic Supernova 2007gr in NGC 1058 and Implications for the Properties of its Progenitor

Juncheng Chen, Xiaofeng Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 14

一句话总结

本研究对IIb型超新星2007gr进行了广泛的光学观测，揭示了异常狭窄的谱线、显著的碳特征以及不对称的双峰[O I]和Mg I]激态谱线。数据表明，这是一次低能爆炸，源自一颗低质量沃尔夫-拉叶星（约8–9 M⊙）在双星系统中的爆发，喷射物呈环状几何结构，表明其为Ib与Ic型超新星之间的过渡天体，保留了氦层及富含碳的外层物质。

ABSTRACT

We present extensive optical observations of the normal Type Ic supernova (SN) 2007gr, spanning from about one week before maximum light to more than one year thereafter. The optical light and color curves of SN 2007gr are very similar to those of the broad-lined Type Ic SN 2002ap, but the spectra show remarkable differences. The optical spectra of SN 2007gr are characterized by unusually narrow lines, prominent carbon lines, and slow evolution of the line velocity after maximum light. The earliest spectrum (taken at t=-8 days) shows a possible signature of helium (He~I 5876 at a velocity of ~19,000 km s{-1}). Moreover, the larger intensity ratio of the [O I] 6300 and 6364 lines inferred from the early nebular spectra implies a lower opacity of the ejecta shortly after the explosion. These results indicate that SN 2007gr perhaps underwent a less energetic explosion of a smaller-mass Wolf-Rayet star (~ 8--9 Msun) in a binary system, as favored by an analysis of the progenitor environment through pre-explosion and post-explosion Hubble Space Telescope images. In the nebular spectra, asymmetric double-peaked profiles can be seen in the [O~I] 6300 and Mg~I] 4571 lines. We suggest that the two peaks are contributed by the blueshifted and rest-frame components. The similarity in velocity structure and the different evolution of the strength of the two components favor an aspherical explosion with the ejecta distributed in a torus or disk-like geometry, but inside the ejecta the O and Mg have different distributions.

研究动机与目标

• 从最大亮度前到爆炸后一年以上，表征SN 2007gr的光学光变曲线与色指数曲线。
• 研究SN 2007gr的光谱演化，重点关注谱线宽度、离子丰度及速度结构。
• 利用早期光谱、激态谱线强度比及哈勃空间望远镜（HST）爆炸前后成像，约束SN 2007gr的前身星特性。
• 确定SN 2007gr是否为Ib与Ic型超新星之间的过渡天体，依据其光谱特征与喷射物不对称性。
• 通过双峰[O I]与Mg I]谱线的速度结构与流量比演化，探究爆炸几何结构。

提出的方法

• 获取了SN 2007gr从最大亮度前约8天至最大亮度后430天的多 epoch 光电测光与光谱观测数据。
• 使用SYNOW模型识别早期光谱中的光谱特征，特别是5500 Å处的吸收深度，可能对应于约19,000 km s⁻¹速度下的He I λ5876。
• 在t = 129天的激态光谱中分析，测量[O I] λ6300/λ6364的强度比，表明喷射物已呈光学薄状态，且喷射物质量较低。
• 将[O I] λλ6300,6364与Mg I] λ4571的非对称双峰轮廓建模为蓝移成分与静止帧成分的组合。
• 通过比较Mg I]与[O I]谱线的速度结构与流量比演化，推断氧与镁在喷射物中具有不同的空间分布。
• 结合HST爆炸前后成像对前身星环境的分析，估算出前身星的演化末期质量约为8–9 M⊙。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于其光变与光谱演化，SN 2007gr的前身星质量与爆炸能量为何？
• RQ2 早期探测到的高速He I λ5876特征是否表明存在残留的氦层，从而支持其为Ib与Ic型超新星之间的过渡天体？
• RQ3 激态[O I] λ6300/λ6364强度比与喷射物光学厚度如何约束喷射物质量与爆炸能量？
• RQ4 [O I]与Mg I]谱线中非对称双峰结构揭示了爆炸几何结构与元素分布的何种信息？
• RQ5 SN 2007gr的前身星是否与HST星团分析所提示的低质量沃尔夫-拉叶星在紧密双星系统中的演化一致？

主要发现

• SN 2007gr的光变曲线与色指数曲线与SN 2002ap几乎完全一致，但谱线显著更窄，表明其单位质量的爆炸能量更低。
• 早期光谱（t ≈ -8天）中在约19,000 km s⁻¹处观测到可能的He I λ5876吸收，表明外层喷射物中存在高速氦层。
• 在t = +12天的光谱中，~9000 Å处出现显著的C I谱线，表明外层富含碳，此特征在典型Ic型超新星中极为罕见。
• 在t = 129天时，[O I] λ6300/λ6364强度比约为3:1，表明喷射物已呈光学薄状态，暗示喷射物质量较低（约1–2 M⊙）。
• 双峰[O I]与Mg I]谱线最合理的解释是蓝移成分与静止帧成分的组合，且其流量比演化不同，表明氧与镁在喷射物中具有不同的空间分布。
• Mg I]与[O I]谱线的速度结构与流量演化支持非球对称爆炸，喷射物呈环状几何结构，其中氧与镁在喷射物中并未共位置分布。