The nearby He-rich superluminous supernova SN 2021bnw during photospheric phases

Resumen Técnico: La cercana supernova superluminosa rica en He SN 2021bnw durante las fases fotosféricas

Problema y Contexto
Las supernovas superluminosas (SLSNe) desafían el paradigma clásico de colapso del núcleo impulsado por neutrinos, ya que la síntesis de la masa requerida de $^{56}$Ni para alimentar sus luminosidades extremas es difícil. Aunque existen explicaciones viables, como la radiación de frenado (spin-down) de un magnetar recién nacido y la interacción de los eyectos con el material circunestelar (CSM), la fuente de energía dominante para las SLSNe I sigue siendo esquiva. Específicamente, la naturaleza de las SLSNe ricas en helio (SLSNe Ib) está mal constreñida debido al pequeño tamaño de la muestra. No está claro si las detecciones de líneas de He se correlacionan con características específicas de la curva de luz (LC), como los rebrillantes, o con la interacción con el CSM. SN 2021bnw, una SLSN Ib deficiente en hidrógeno pero rica en helio, presenta una oportunidad para expandir esta muestra y constreñir las masas de los progenitores y los mecanismos de alimentación.

Metodología
Los autores presentan una extensa campaña de seguimiento espectrofotométrico de SN 2021bnw, descubierta por el Zwicky Transient Facility (ZTF) y clasificada por ePESSTO+.

• Observaciones: Se obtuvo fotometría óptica y en el infrarrojo cercano (NIR) utilizando múltiples instalaciones (ZTF, ATLAS, LCO, NOTCam, SOFI, etc.), y se recolectaron espectros ópticos/NIR desde las fases de pre-máximo hasta fases tardías (hasta 9 de 97 días post-máximo).
• Reducción de Datos: Los datos de imagen se redujeron utilizando pipelines dedicados o ecsnoopy. Los espectros se redujeron con rutinas estándar de IRAF o pipelines dedicados.
• Técnicas de Análisis:
  • Curvas de Luz: El epoch de máxima luminosidad se determinó mediante ajuste polinómico. Las curvas de luz pseudo-bolométricas se construyeron integrando las distribuciones de energía espectral (SEDs) derivadas de la fotometría multicolor.
  • Identificación Espectral: El espectro NIR (87 días post-máximo) se analizó para identificar rasgos de helio. Los autores emplearon el código de transferencia de radiación de Monte Carlo TARDIS para generar espectros sintéticos, probando las identificaciones de líneas (específicamente He I $\lambda$1.083 $\mu$m y $\lambda$2.058 $\mu$m) contra los datos observados.
  • Modelado Físico: Para constreñir los parámetros de la explosión, los autores utilizaron el código STELLA, que acopla hidrodinámica y transferencia de radiación. Probaron un escenario de $^{56}$Ni + interacción con CSM, comparando los resultados del modelo con la curva de luz bolométrica observada.

Resultos Clave

• Fotometría: SN 2021bnw alcanzó una magnitud absoluta de pico de $M_g = -20.70 \pm 0.10$ mag. La curva de luz exhibió un ascenso y descenso en forma de cuña, seguido de una fase de declive lineal que duró 80 días. Notablemente, se detectaron dos desviaciones (rebrillantes) en las bandas ópticas: un primer bulto con un pico a ~35 días y un segundo alrededor de 70–80 días. La tasa de declive pseudo-bolométrico (0.016 mag d$^{-1}$) fue más rápida que la pendiente de decaimiento de $^{56}$Co asumiendo un atrapamiento total de rayos $\gamma$.
• Espectroscopía: Los espectros tempranos mostraron temperaturas calientes (~14,000–17,000 K) con rasgos de O II y Ca II. El espectro NIR tomado 87 días después del máximo reveló rasgos de absorción distintivos. El modelado con TARDIS confirmó la presencia de helio, estimando una masa de helio de $\sim$0.10–0.15 $M_\odot$. La identificación de He I $\lambda$1.083 $\mu$m y $\lambda$2.058 $\mu$m fue apoyada por los espectros sintéticos, a pesar de la mezcla de rasgos debido a las altas velocidades de expansión.
• Parámetros Físicos: El modelado con STELLA de un escenario de $^{56}$Ni + CSM convergió en una masa de eyecta de $\approx$15–20 $M_\odot$, una masa de CSM de $\approx$7 $M_\odot$, una energía de explosión de $\approx$5 $\times$ 10$^{51}$ erg y una masa de $^{56}$Ni de $\approx$1.7 $M_\odot$.
• Comparaciones: SN 2021bnw comparte similitudes notables en la forma de la curva de luz y la evolución espectral con SN 2017egm. Sin embargo, se desvía de la correlación estándar $t_{\text{decline}}$ vs. $t_{\text{rise}}$ observada en otras SLSNe, un comportamiento que los autores atribuyen a la interacción con el CSM.

Conclusiones y Significancia
El artículo concluye que SN 2021bnw probablemente fue alimentada por una combinación de una fuente de energía central (potencialmente el decaimiento de $^{56}$Ni, aunque no se descarta un magnetar) y la interacción de los eyectos con un material circunestelar rico en helio previamente perdido. La detección de líneas de helio en el NIR, junto con la morfología específica de la curva de luz (rebrillantes), apoya la hipótesis de que la interacción con el CSM juega un papel significativo en la formación de la evolución de las SLSNe Ib.

La significancia de este trabajo radica en su contribución a la expansión de la muestra de las SLSNe Ib. Al proporcionar restricciones detalladas sobre la masa del progenitor y la física de la explosión para un escenario de progenitor único, el estudio ayuda a estrechar la naturaleza de los progenitores de las SLSN I(b). Los autores señalan que, mientras que sus parámetros derivados (alta masa de $^{56}$Ni y energía cinética) sugieren una desviación del colapso de núcleo ordinario —posiblemente apuntando hacia escenarios de colapsar o magneto-rotacionales—, estas estimaciones requieren confirmación adicional mediante estudios exhaustivos de evolución estelar. El artículo enfatiza que la ausencia de firmas espectroscópicas claras de interacción con el CSM en los espectros ópticos puede indicar una asimetría en la configuración de los eyectos-CSM, una característica que surge naturalmente en los canales de explosión impulsados por rotación.