[论文解读] The Progenitor Star of SN 2023ixf: A Massive Red Supergiant with Enhanced, Episodic Pre-Supernova Mass Loss

Yu-Jing Qin, Keming Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本研究利用高精度的凯克/NIRC2和哈勃空间望远镜（HST）成像，识别出SN 2023ixf的前身星为一颗具有增强且周期性爆发前质量损失的高质量红超巨星（RSG）。该前身星表现出强烈的红外超量和周期性变异性，最合理的解释是存在一个由脉动驱动的尘埃循环的尘埃红超巨星，导致其质量损失速率达到$3.58 \times 10^{-4}\,\mathrm{M}_{\odot}\,\text{yr}^{-1}$，并在最终脉动阶段喷射出致密且受限的包层星周介质。

ABSTRACT

We identify the progenitor star of SN 2023ixf in the nearby galaxy Messier 101 using Keck/NIRC2 adaptive optics imaging and pre-explosion HST/ACS images. The supernova position, localized with diffraction-spike pattern and high precision relative astrometry, unambiguously coincides with a single progenitor candidate of m_F814W=24.96(-0.04)(+0.05). Forced photometry further recovers 2-sigma detections in the F673N and F675W bands and imposes robust flux limits on the bluer bands. Given the reported infrared excess and semi-regular variability of the progenitor, we fit a time-dependent spectral energy distribution (SED) model of a dusty red supergiant (RSG) to a combined dataset of HST photometry, as well as ground-based near-infrared and Spitzer/IRAC [3.6], [4.5] photometry from the literature. The progenitor closely resembles a RSG of T_eff=3343+/-27 K and logL=5.10+/-0.02, with a 0.11+/-0.01 dex (25.2+/-1.7 per cent) variation over the mean luminosity at a period of P=1128.3+/-6.5 days, heavily obscured by a dust envelope with an optical depth of tau=2.83+/-0.03 at 1 micron (or A_V=10.28+/-0.11 mag). Such observed signatures match a post-main sequence star of 18.1(-1.2)(+0.7) Msun, close to the most massive SN II progenitor, with a pulsation-enhanced mass-loss rate of M_dot=(3.58+/-0.15) x 10^(-4) Msun/yr. The dense and confined circumstellar material is likely ejected during the last episode of radial pulsation before the explosion. Notably, we find strong evidence for periodic variation of tau (or both T_eff and tau) along with luminosity, a necessary assumption to reproduce the wavelength dependence of the variability, which implies dust sublimation and condensation during radial pulsations. Given the observed SED, partial dust obscuration remains a possible scenario, but any unobstructed binary companion over 7.1 Msun can be ruled out.

研究动机与目标

• 利用爆发前的HST和凯克/NIRC2成像，识别并表征位于近邻旋涡星系M101中SN 2023ixf的前身星。
• 通过研究为何具有$\log(L/L_\odot) > 5.1$的高质量红超巨星很少被观测为II型超新星的前身星，来解决“红超巨星难题”（RSG问题）。
• 利用多波段测光，确定前身星的物理参数，包括光度、有效温度、质量及尘埃消光。
• 检验前身星光度和尘埃光学厚度的周期性变异性是否可由脉动驱动的尘埃蒸发与凝结循环来解释。
• 排除存在一个大质量、未被遮蔽的双星伴星作为观测到的红外超量和变异性现象的替代解释。

提出的方法

• 利用凯克/NIRC2自适应光学成像结合衍射尖刺图案与高精度相对天体测量，将超新星位置精确定位至$19.5\,\text{mas}$的不确定度内。
• 对爆发前的HST/ACS图像执行强制测光，在F673N、F675W和F814W波段恢复了$2\sigma$检测结果。
• 利用结合HST、地面系近红外和斯皮策/IRAC测光的光谱能量分布（SED）模型，构建一个尘埃红超巨星的时间依赖性SED模型。
• 通过拟合具有可变尘埃光学厚度（$\tau$）和有效温度（$T_{\text{eff}}$）的脉动调制SED模型，重现波长相关的变异性。
• 引入一个时间变化的尘埃包层模型，其中$\tau$由于径向脉动驱动的周期性尘埃蒸发与凝结而发生变化。
• 使用包含尘埃消光系数的MARCS恒星大气模型，推导出物理参数，包括质量损失速率$\dot{M}$、光度$L$和$A_V$。

实验结果

研究问题

• RQ1 SN 2023ixf的前身星性质为何？其是否符合高质量红超巨星的预期特征？
• RQ2 观测到的红外超量和半规则变异性由何引起？是否可由脉动驱动的尘埃循环来解释？
• RQ3 前身星的质量损失速率和包层星周介质密度为何？与典型红超巨星相比如何？
• RQ4 观测到的SED中波长依赖性变异性是否可由随时间变化的尘埃光学厚度而非仅恒星变异性来解释？
• RQ5 是否存在一个大质量、未被遮蔽的双星伴星，作为观测到的辐射与消光现象的可行替代解释？

主要发现

• SN 2023ixf的前身星是一颗高质量红超巨星，其$\log(L/L_\odot) = 5.10 \pm 0.02$，$T_{\text{eff}} = 3343 \pm 27\,\text{K}$，与一颗质量为$18.1_{-1.2}^{+0.7}\,\mathrm{M}_{\odot}$的演化后主序星一致。
• 前身星被一个光学厚度为$\tau = 2.83 \pm 0.03$（在$1\,\mu\text{m}$处，或$A_V = 10.28 \pm 0.11$ mag）的尘埃包层严重遮蔽，表明其爆发前的质量损失速率极高，达到$(3.58 \pm 0.15) \times 10^{-4}\,\mathrm{M}_{\odot}\,\text{yr}^{-1}$。
• 包层星周介质的密度为$(4.55 \pm 0.20) \times 10^{-15}\,\text{g}\,\text{cm}^{-3}$，与最终脉动阶段喷射出的物质一致。
• 有强烈证据表明尘埃光学厚度（$\tau$）与光度同步变化，表明存在由径向脉动驱动的周期性尘埃蒸发与凝结过程。
• 观测到的变异性振幅-波长关系最符合具有时间变化$\tau$的模型，而非仅由恒星变异性驱动，表明存在动态的尘埃过程。
• 根据测光数据，任何质量大于$7.1\,\mathrm{M}_{\odot}$的未被遮蔽双星伴星均可被排除，支持该前身星为单一高质量红超巨星。