JWST Observations of Calcium-Strong Transients: I. Complex Nebular He Emission in SN 2024uj

Resumen Técnico: Observaciones de JWST de Transitorios Fuertes en Calcio: I. Emisión Compleja de He Nebular en SN 2024uj

Problema y Contexto
Los Transitorios Fuertes en Calcio (CaSTs, por sus siglas en inglés) representan una subclase desconcertante de supernovas (SNe) caracterizadas por una emisión de [Ca II] inusualmente fuerte, magnitudes máximas tenues ($\lesssim -16.5$ mag) y una evolución rápida hacia la fase nebular. Su origen sigue siendo objeto de debate: aunque sus grandes desplazamientos respecto a sus galaxias anfitrionas y sus bajas masas de eyección sugieren un origen termonuclear que involucra enanas blancas (WDs), sus espectros ópticos en tiempos tempranos se asemejan a menudo a supernovas de colapso de núcleo (CCSNe) de tipo Ib/c debido a la presencia de helio. Una brecha crítica para comprender esta clase es la falta de observaciones tardías en el infrarrojo cercano (NIR) y medio (MIR), las cuales son necesarias para sondear la geometría y la nucleosíntesis de la eyección más interna. SN 2024uj, un CaST con una curva de luz de doble pico y un desplazamiento significativo de su galaxia anfitriona, sirve como el caso de estudio principal para desentrañar estos escenarios de progenitores en competencia.

Metodología
Los autores presentan las primeras observaciones del Telescopio Espacial James Webb (JWST) de un CaST, SN 2024uj.

• Observaciones: Los datos se adquirieron a $+150$ días tras el segundo pico en la banda $r$. Esto incluye espectroscopía NIR de resolución media ($R \approx 1000$) (1–5 $\mu$m) utilizando el instrumento NIRSpec, y fotometría en el filtro F100W mediante el instrumento MIRI. Estos se combinaron con espectroscopía óptica terrestre (desde el descubrimiento hasta $+135$ días) y fotometría UV/óptica de una red de telescopios robóticos y del observatorio Swift.
• Análisis Fotométrico: Se construyó una curva de luz bolométrica utilizando datos ópticos y UV. Los autores modelaron la estructura de doble pico utilizando una combinación de enfriamiento de la envoltura de choque (Piro et al. 2021) y la desintegración radiactiva de $^{56}$Ni para derivar los parámetros de la explosión ($M_{\text{ej}}$, $M_{\text{Ni}}$, $E_k$).
• Análisis Espectral: Los autores realizaron la identificación de líneas en la fase nebular, centrándose en las características de [O I], [Ca II] y He I. Utilizaron ajuste gaussiano y muestreo anidado (vía dynesty) para descomponer perfiles de líneas complejos y asimétricos en distintos componentes cinemáticos.
• Modelado de Transferencia Radiativa: Para probar los escenarios de los progenitores, los espectros observados se compararon con simulaciones de transferencia radiativa de equilibrio termodinámico no local (non-LTE) de CMFGEN. Los modelos incluyeron un colapso de núcleo de estrella de helio desnudada (he5), una detonación de capa de helio en una enana blanca de baja masa (COp45HEp2) y un escenario de fusión de doble enana blanca (fca1).

Resultados Clave

1. Propiedades de la Explosión: SN 2024uj exhibe una curva de luz de doble pico. El primer pico se atribuye al enfriamiento por choque de una envoltura compacta ($M_{\text{env}} \approx 0.14 M_\odot$, $R_{\text{env}} \approx 29 R_\odot$), mientras que el segundo pico es alimentado por la desintegración de $^{56}$Ni. La masa de eyección derivada es baja ($M_{\text{ej}} \approx 0.61 M_\odot$) con una energía cinética baja ($E_k \approx 0.17 \times 10^{51}$ erg) y una pequeña masa de $^{56}$Ni ($\approx 1.36 \times 10^{-2} M_\odot$).
2. [Ca II] Prohibida Temprana: La fuerte emisión de [Ca II] $\lambda\lambda$7291, 7324 emerge tan temprano como $+2$ días después del máximo de luz. El modelado de transferencia radiativa de una estrella de helio masiva desnudada (incluso con calcio superficial artificialmente aumentado) falla en reproducir esta emisión prohibida temprana, mientras que los modelos termonucleares la producen naturalmente.
3. Helio Nebular Complejo: El espectro de JWST/NIRSpec revela emisiones de He I altamente asimétricas y de múltiples componentes a 1.083 y 2.058 $\mu$m. La distribución de He se extiende a velocidades $\gtrsim 5000$ km s$^{-1}$, con un pico fuerte y estrecho en $\sim +1500$ km s$^{-1}$ y un componente de alta velocidad desplazado al rojo en $\sim 5740$ km s$^{-1}$.
4. Distribución Elemental: Las líneas de [Ca II] y [O I] están relativamente localizadas centralmente, mientras que la emisión de He I es significativamente desplazada al rojo y espacialmente distinta. Esto implica una mezcla de elementos compleja y anisotrópica que es difícil de producir en las explosiones de estrellas masivas estándar.
5. Emisión Molecular y de Polvo: El espectro muestra un continuo creciente más allá de 3 $\mu$m y una detección a 10 $\mu$m, indicativo de polvo. Además, los autores reportan la primera detección de la emisión de la banda fundamental de CO (4.5–5.1 $\mu$m) en un CaST.
6. Restricciones del Progenitor: El escenario de colapso de núcleo de estrella masiva es desfavorecido debido a la incapacidad de los modelos para reproducir el [Ca II] temprano y el perfil específico y asimétrico de He I. Los datos son más consistentes con un origen termonuclear que involucra una enana blanca de baja masa, parcialmente rica en helio, potencialmente dentro de un sistema binario tipo AM CVn o una fusión de enanas blancas.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que SN 2024uj proporciona evidencia convincente de un origen termonuclear para al menos un subconjunto de los CaSTs, específicamente aquellos con características espectrales tipo Ib. Los autores argumentan que la combinación de un sitio de explosión remoto, la emisión temprana de [Ca II] prohibida, la baja masa de la eyección y la geometría específica y compleja de la distribución de He/Ca/O apunta fuertemente hacia una fusión de enanas blancas o un sistema progenitor tipo AM CVn, en lugar de un colapso de núcleo de estrella masiva.

Específicamente, los autores destacan:

• La aparición temprana de [Ca II] prohibida como un discriminador que los modelos de estrellas masivas no pueden explicar naturalmente sin modificaciones no físicas.
• El perfil de He I de múltiples componentes y asimétrico como una firma de explosiones termonucleares anisotrópicas o interacción con una compañera impactada por un choque, distinta de las típicas CCSNe de envoltura desnudada.
• La detección de CO y polvo, lo que sugiere que las supernovas termonucleares tenues pueden ser productoras eficientes de polvo, un hallazgo que desafía las suposiciones previas sobre la formación de polvo en tales eventos.

Los autores conclen que, si bien no se puede descartar totalmente un origen de CCSN, el peso de la evidencia favorece una explosión termonuclear que involucra al menos una enana blanca de baja masa y rica en helio. Sugieren que esta interpretación puede extenderse a la clase más amplia de CaSTs tipo Ib, reforzando la idea de que las enanas blancas de baja masa con helio pueden producir firmas espectroscópicas fuertes de He mediante mecanismos como doble detonación o combustión de la capa de helio. El artículo enfatiza la necesidad de un mayor modelado hidrodinámico y de transferencia radiativa para reproducir completamente las distribuciones de la eyección observadas y la pérdida de masa previa en estos sistemas.