[论文解读] SN 2022joj: A Potential Double Detonation with a Thin Helium shell

Estefania Padilla Gonzalez, D. A. Howell+35 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 5

一句话总结

SN 2022joj 展现出极端的早期红化颜色（B−V ≈ 1.1 mag），随后在最大亮度时向蓝端演化至 B−V ≈ 0 mag，其光度和光谱演化与在亚钱德拉塞卡尔质量白矮星（≈1 M☉）上发生的双引爆过程一致，且具有较薄的氦壳层（0.01–0.02 M☉）。早期的红化颜色归因于双引爆过程中产生的铁峰元素造成的线遮蔽效应，然而在星云期光谱中观测到出乎意料的 [Fe III] 发射线，而非预期的 [Ca II]，表明可能需要考虑视线方向效应或对模型进行改进。

ABSTRACT

We present photometric and spectroscopic data for SN 2022joj, a nearby peculiar Type Ia supernova (SN Ia) with a fast decline rate ($ m{Δm_{15,B}=1.4}$ mag). SN 2022joj shows exceedingly red colors, with a value of approximately ${B-V \approx 1.1}$ mag during its initial stages, beginning from $11$ days before maximum brightness. As it evolves the flux shifts towards the blue end of the spectrum, approaching ${B-V \approx 0}$ mag around maximum light. Furthermore, at maximum light and beyond, the photometry is consistent with that of typical SNe Ia. This unusual behavior extends to its spectral characteristics, which initially displayed a red spectrum and later evolved to exhibit greater consistency with typical SNe Ia. We consider two potential explanations for this behavior: double detonation from a helium shell on a sub-Chandrasekhar-mass white dwarf and Chandrasekhar-mass models with a shallow distribution of $ m{^{56}Ni}$. The shallow nickel models could not reproduce the red colors in the early light curves. Spectroscopically, we find strong agreement between SN 2022joj and double-detonation models with white dwarf masses around 1 $ m{M_{\odot}}$ and thin He-shell between 0.01 and 0.02 $ m{M_{\odot}}$. Moreover, the early red colors are explained by line-blanketing absorption from iron-peak elements created by the double detonation scenario in similar mass ranges. However, the nebular spectra composition in SN 2022joj deviates from expectations for double detonation, as we observe strong [Fe III] emission instead of [Ca II] lines as anticipated from double detonation models. More detailed modeling, e.g., including viewing angle effects, is required to test if double detonation models can explain the nebular spectra.

研究动机与目标

• 为了理解 SN 2022joj 中极端早期红化颜色（B−V ≈ 1.1 mag）的起源，该超新星为邻近的 Ia 型超新星，且具有快速衰减率（Δm15,B = 1.4 mag）。
• 确定观测到的光度和光谱演化是否可由具有氦壳层的亚钱德拉塞卡尔质量白矮星上的双引爆模型解释。
• 检验钱德拉塞卡尔质量模型中浅层 56Ni 分布是否能再现早期红化颜色，或是否必须依赖双引爆机制。
• 评估星云期光谱——特别是 [Fe III] 强烈发射线的存在——与双引爆模型预测的一致性。

提出的方法

• 从多个天文台获取了光度和光谱数据，包括 HST、Swift、CTIO 和 Las Cumbres Observatory，覆盖了从 B 波段最大亮度前 11 天至最大亮度后 88 天的完整光变曲线。
• 使用标准光度系统（B、V、g、r、i、紫外波段）分析光变曲线和颜色演化，星等以 Vega 系报告。
• 通过不同白矮星质量（≈1 M☉）和氦壳层质量（0.01–0.02 M☉）的双引爆模拟生成的合成光谱，对光谱演化进行建模。
• 利用 Cloudy 代码进行辐射转移和光谱合成，对铁峰元素引起的线遮蔽效应进行建模，以解释早期红化颜色。
• 将星云期光谱与理论模型进行比较，评估 [Ca II] 与 [Fe III] 发射线的存在情况，评估模型一致性。
• 使用标准误差传播和 χ² 最小化技术，对光度误差和光变曲线拟合进行统计分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有薄氦壳层（0.01–0.02 M☉）的亚钱德拉塞卡尔质量白矮星上的双引爆模型，能否再现 SN 2022joj 的早期红化颜色（B−V ≈ 1.1 mag）及其随后的向蓝端演化？
• RQ2 为何 SN 2022joj 的星云期光谱显示出强烈的 [Fe III] 发射线，而非标准双引爆模型所预期的 [Ca II] 线？
• RQ3 钱德拉塞卡尔质量模型中浅层 56Ni 分布是否能为早期红化颜色提供一个可行的替代解释？
• RQ4 喷流中铁峰元素引起的线遮蔽效应在多大程度上可解释观测到的早期光度颜色？
• RQ5 视线方向效应或不对称喷流是否可解释观测到的星云期光谱与标准双引爆预测之间的差异？

主要发现

• SN 2022joj 在 B 波段最大亮度前 11 天即表现出异常红化的颜色（B−V ≈ 1.1 mag），并在最大亮度时向蓝端演化至 B−V ≈ 0 mag。
• 从最大亮度开始的光度演化与典型 Ia 型超新星一致，表明尽管早期存在异常，其最大亮度时仍为标准爆炸。
• 具有 1 M☉ 白矮星和薄氦壳层（0.01–0.02 M☉）的双引爆模型在光谱和光度上均与 SN 2022joj 高度一致。
• 早期红化颜色最合理的解释是双引爆过程中产生的铁峰元素引起的线遮蔽吸收。
• 星云期光谱显示出强烈的 [Fe III] 发射线，与标准双引爆模型所预测的以 [Ca II] 线为主导的预期相矛盾。
• 建模结果表明，为调和观测到的星云期光谱与双引爆情景之间的一致性，可能需要考虑视线方向效应或不对称喷流。