[论文解读] SN 2018bsz: significant dust formation in a nearby superluminous supernova

T. W. Chen, S. Brennan+42 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 10

一句话总结

本研究利用多波段测光和光谱观测，为邻近超亮超新星 SN 2018bsz 中显著的尘埃形成提供了有力证据。数据揭示，在第230天后近红外波段出现持续增长的超量，最合理的解释是喷出物中新形成的尘埃，尘埃质量从+230天时的 5×10⁻⁴ M☉ 增加至+535天时的 10⁻² M☉，表明 SLSNe 中存在高效的尘埃生成过程。

ABSTRACT

We investigate the thermal emission and extinction from dust associated with the nearby superluminous supernova (SLSN) 2018bsz. Our dataset has daily cadence and simultaneous optical and near-infrared coverage up to ~ 100 days, together with late time (+ 1.7 yr) MIR observations. At 230 days after light curve peak the SN is not detected in the optical, but shows a surprisingly strong near-infrared excess, with r - J > 3 mag and r - Ks > 5 mag. The time evolution of the infrared light curve enables us to investigate if the mid-infrared emission is from newly formed dust inside the SN ejecta, from a pre-existing circumstellar envelope, or interstellar material heated by the radiation from the SN. We find the latter two scenarios can be ruled out, and a scenario where new dust is forming in the SN ejecta at epochs > 200 days can self-consistently reproduce the evolution of the SN flux. We can fit the spectral energy distribution well at +230 d with 5 x 10^-4 solar mass of carbon dust, increasing over the following several hundred days to 10^-2 solar mass by +535 d. SN 2018bsz is the first SLSN showing evidence for dust formation within the SN ejecta, and appears to form ten times more dust than normal core-collapse SNe at similar epochs. Together with their preference for low mass, low metallicity host galaxies, we suggest that SLSNe may be a significant contributor to dust formation in the early Universe.

研究动机与目标

• 确定 SN 2018bsz 在晚期阶段观测到的近红外超量的起源。
• 区分喷出物中新形成的尘埃、预先存在的星周物质以及由超新星加热的星际尘埃。
• 利用谱能分布（SED）拟合量化超亮超新星中尘埃质量的演化。
• 评估中红外发射对总光度的贡献及其随时间的演化。
• 确立 SN 2018bsz 作为 SLSNe 中高效尘埃生成的典型实例，为极端恒星爆炸中的尘埃形成理论提供依据。

提出的方法

• 收集了峰值后约100天内的每日光学和近红外测光数据，并补充了+1.7年时的晚期中红外观测。
• 在多个历元构建谱能分布（SED），并采用单黑体模型拟合以推断温度和半径的演化。
• 对红外光变曲线的时间演化进行建模，以区分喷出物中尘埃形成、星周壳层和星际介质中的尘埃。
• 使用银河系和宿主星系消光律进行消光修正，并将星等转换为物理单位。
• 利用晚期 Spitzer 和 SOFI 在 3.6、4.5、J 和 Ks 波段的成像，在+384天和+565天时检测到 SN，证实了持续的辐射。
• 计算了包含和不包含中红外贡献的总光度曲线，以评估不同波段的光度占比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在+230天时，为何观测到 SN 2018bsz 的近红外超量，而光学流量已显著衰减？
• RQ2 晚期的中红外发射是否可归因于 SN 喷出物中新形成的尘埃，还是源于预先存在的星周物质或星际尘埃？
• RQ3 SN 2018bsz 中形成了多少尘埃，其质量如何随时间演化？
• RQ4 中红外发射对总光度的贡献如何随时间变化？
• RQ5 在晚期阶段，观测到的 SED 在多大程度上需要单组分黑体模型，还是必须引入多组分模型？

主要发现

• 在+230天时的近红外超量（r−J > 3 mag，r−Ks > 5 mag）与预先存在的星周物质或星际尘埃加热的解释不一致，从而排除了这些情景。
• 晚期中红外发射最合理的解释是 SN 喷出物中新形成的尘埃，+230天时尘埃质量为 5×10⁻⁴ M☉。
• 至+535天时，尘埃质量增至 10⁻² M☉，表明喷出物中存在持续且高效的尘埃生成过程。
• 在+232天时，总光度主要由近红外（74%）和中红外（26%）发射主导，至+266天时中红外贡献上升至68%。
• 单黑体 SED 拟合在所有历元均与观测数据高度吻合，表明无需引入多组分模型。
• 在+68天时，中红外波段占比仅为1%，但随时间显著上升，证实中红外发射并非恒定背景，而是与尘埃形成相关的瞬态特征。