[论文解读] Spitzer's Last Look at Extragalactic Explosions: Long-Term Evolution of Interacting Supernovae

Tamás Szalai, Ori D. Fox+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 151被引用 26

一句话总结

本研究基于史匹哲太空望远镜对19个相互作用型超新星的最终中红外（mid-IR）测光数据，分析其长期演化，以区分原始尘埃与新形成的尘埃。研究发现，Ia型超新星-致密星周介质（SNe Ia-CSM）表现出一致的中红外行为，暗示其前身体环境具有共性；而晚期中红外光变曲线揭示了持续的星周介质（CSM）相互作用与尘埃加热，对未来詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）观测具有重要意义。

ABSTRACT

Here we present new - and, nevertheless, last - mid-infrared (mid-IR) data for supernovae (SNe) based on measurements with the Spitzer Space Telescope. Comparing our recent 3.6 and 4.5 $\mu$m photometry with previously published mid-IR and further multiwavelength datasets, we were able to draw some conclusions about the origin and heating mechanism of the dust in these SNe or in their environments, as well as on possible connection with circumstellar matter (CSM) originating from pre-explosion mass-loss events in the progenitor stars. We also present new results regarding both certain SN classes and single objects. We highlight the mid-IR homogeneity of SNe Ia-CSM, which may be a hint of their common progenitor type and of their basically uniform circumstellar environments. Regarding single objects, it is worth highlighting the late-time interacting Type Ib SNe 2003gk and 2004dk, for which we present the first-ever mid-IR data, which seem to be consistent with clues of ongoing CSM interaction detected in other wavelength ranges. Our current study suggests that long-term mid-IR follow-up observations play a key role in a better understanding of both pre- and post-explosion processes in SNe and their environments. While Spitzer is not available any more, the expected unique data from the James Webb Space Telescope, as well as long-term near-IR follow-up observations of dusty SNe, can bring us closer to the hidden details of this topic.

研究动机与目标

• 利用史匹哲望远镜的最终观测数据，分析相互作用型超新星的长期中红外演化。
• 基于中红外光变曲线，区分超新星环境中原始尘埃与新形成尘埃的来源。
• 研究星周物质（CSM）与各类超新星类型中红外发射之间的关联。
• 评估中红外监测在探测超新星爆发前质量流失与爆发后激波动力学中的作用。
• 为未来詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）及近红外后续观测研究尘埃超新星奠定基础。

提出的方法

• 从史匹哲望远镜对19个相互作用型超新星的最终观测中获取新的3.6和4.5 µm测光数据。
• 结合先前发表的中红外及多波段数据集（光学、X射线、Hα、近红外）。
• 将中红外光变曲线与X射线和Hα光变曲线进行比较，以追踪激波相互作用与尘埃加热。
• 分析尘埃温度、光度与质量的演化，推断尘埃来源（原始存在或新形成）。
• 使用冷却致密壳层（CDS）尘埃形成模型，解释光变曲线中的再次增亮阶段。
• 评估不同超新星光型中红外演化的一致性，特别是SNe Ia-CSM与IIn型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长期存在的相互作用型超新星中，中红外过量的来源是什么——原始尘埃还是新形成的尘埃？
• RQ2 SNe Ia-CSM的中红外演化与SNe IIn相比如何？这对其前身体环境有何启示？
• RQ3 在追踪星周介质（CSM）相互作用方面，中红外光变曲线与X射线和Hα光变曲线的相关性在多大程度上显著？
• RQ4 晚期中红外观测能否揭示早期光学巡天未能探测到的延迟型CSM相互作用？
• RQ5 中等光度暂现源的中红外光变曲线与经典SNe IIn或Ia-CSM相比有何异同？

主要发现

• SNe Ia-CSM表现出极为一致的中红外光变曲线，暗示其具有共同的前身体类型与均匀的星周环境。
• SNe IIn的中红外亮度演化证实了存在延伸且致密的星周介质，其中原始尘埃被超新星的辐射亮度加热。
• 在大多数SNe IIn中，中红外流量在约2000天后持续下降，表明星周介质相互作用随时间减弱。
• 对Ib型超新星（如2003gk与2004dk）的晚期中红外数据表明存在持续的星周介质相互作用，与其他波段的线索一致。
• SNe II-P（如2004et、2013ej、2017eaw）的中红外与近红外光变曲线高度吻合，支持CDS尘埃形成模型。
• 部分超新星（如2010jl、2015da）显示出爆发后尘埃形成的证据，而另一些（如2004dk、2005ip）则表现出由原始尘埃受辐射加热导致的持续发射。