Photometric and Spectroscopic Studies of Type Ic Supernovae SN 2020akf and SN 2021mxx

Resumen Técnico: Estudios Fotométricos y Espectroscópicos de las Supernovas de Tipo Ic SN 2020akf y SN 2021mxx

Problema y Contexto
Las supernovas de colapso de núcleo de envoltura eliminada (SE-SNe), específicamente las de Tipo Ib y Ic, representan las muertes explosivas de estrellas masivas que han perdido sus envolturas de hidrógeno y helio. Mientras que las supernovas de Tipo Ic se caracterizan por la ausencia de líneas de hidrógeno y helio en sus espectros, exhiben una diversidad significativa en las formas de sus curvas de luz, luminosidades y características espectrales. Esta diversidad abarca desde eventos de Tipo Ic "normales" hasta supernovas de Tipo Ic de "línea ancha" (Ic-BL), que a menudo están asociadas con brotes de rayos gamma y poseen energías cinéticas extremadamente altas. Un subconjunto de eventos, a veces denominados "transicionales", muestra propiedades intermedias entre las clases normal y de línea ancha. Este trabajo aborda la necesidad de una caracterización exhaustiva de dos tales eventos, SN 2020akf y SN 2021mxx, que fueron inicialmente clasificadas erróneamente como Tipo Ia antes de ser reidentificadas como Tipo Ic.

Metodología
Los autores realizaron un análisis multilongitud de onda combinando fotometría óptica y espectroscopia de resolución media para SN 2020akf y SN 2021mxx.

• Observaciones: Se realizó el seguimiento de imágenes ópticas en las bandas $UBVRI$ utilizando el Himalaya Faint Object Spectrograph Camera (HFOSC) en el Telescopio Himalayan Chandra de 2 metros (HCT). Se incorporaron datos fotométricos adicionales del Zwicky Transient Facility (ZTF) y del Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS). La cobertura espectroscópica abarcó desde $\sim-5$ hasta $+57$ días para SN 2020akf y desde $\sim-3$ hasta $+113$ días para SN 2021mxx con respecto al máximo de la banda $B$.
• Reducción de Datos: Se aplicaron técnicas de reducción estándar (sustracción de sesgo, corrección de campo plano) utilizando IRAF. La sustracción de la galaxia anfitriona se realizó mediante imágenes de plantilla para aislar el flujo de la supernova. Las correcciones por enrojecimiento se aplicaron utilizando mapas de polvo galáctico y comparaciones con plantillas de color del Carnegie Supernova Project.
• Análisis de la Curva de Luz: Se construyeron curvas de luz cuasi-bolométricas utilizando el código SuperBol, interpolando los datos multibanda y corrigiendo la extinción. La evolución de la temperatura y el radio fotosférico se derivó de estas curvas.
• Análisis Espectral: La evolución espectral se analizó identificando rasgos de absorción y emisión prominentes (p. ej., Fe II, Si II, Ca II, C II, O I). Las velocidades de expansión fotosférica se estimaron ajustando perfiles gaussianos a los valles de absorción de las líneas de Fe II $\lambda$5169, Si II $\lambda$6355 y el triplete de Ca II NIR.
• Modelado:
  • Modelo Arnett-Valenti: Se empleó un modelo de difusión de radiación semianalítico para estimar los parámetros de la explosión, incluyendo la masa de $^{56}$Ni sintetizada ($M_{\text{Ni}}$), la masa de los eyectos ($M_{\text{ej}}$) y la energía cinética ($E_k$). Se utilizaron métodos de Cadenas de Markov Monte Carlo (MCMC) para ajustar las curvas de luz cuasi-bolométricas.
  • TARDIS: Se utilizó un código de transferencia radiativa unidimensional para modelar la evolución espectral, derivando perfiles de densidad y abundancias elementales.
  • MOSFiT: Se utilizó el Modular Open-Source Fitter for Transients para el modelado de curvas de luz multicolores con el fin de validar de forma cruzada los parámetros de la explosión.
• Progenitor y Entorno: Las metalicidades de las galaxias anfitrionas se estimaron mediante relaciones de líneas de emisión (índices N2 y O3N2) de SDSS y espectroscopia personalizada. Las masas de los progenitores se infirieron a partir de las relaciones de las líneas nebulares [O I]/[Ca II] y comparaciones con modelos nebulares teóricos.

Resultos Clave

• Propiedades Fotométricas:

  • SN 2020akf: Exhibe una curva de luz ancha con un tiempo de ascenso de $\sim16$ días en la banda $B$. La magnitud absoluta pico es $M_V = -17.85 \pm 0.15$ mag, con una luminosidad cuasi-bolométrica pico de $\log L_{\text{bol}} = 42.37 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$.
  • SN 2021mxx: Muestra una curva de luz más estrecha con un ascenso ($\sim10.4$ días) y declive más rápidos. La magnitud absoluta pico es $M_V = -17.60 \pm 0.15$ mag, con una luminosidad cuasi-bolométrica pico de $\log L_{\text{bol}} = 42.21 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$.
  • Ambos eventos son más brillantes que las supernovas de Tipo Ic normales típicas (p. ej., SN 2007gr) pero más tenues que los eventos Ic-BL (p. ej., SN 1998bw).

• Evolución Espectroscópica:

  • Ambas SN muestran continuos azules con rasgos prominentes de Fe II, Ca II y Mg II. SN 2020akf muestra fuertes líneas de C II en la fase pre-máximo, las cuales se desvanecen rápidamente.
  • Las velocidades fotosféricas en el máximo de luz son de $\sim15,000$ km s$^{-1}$ para SN 2020akf y $\sim10,000$ km s$^{-1}$ para SN 2021mxx (derivadas de Fe II $\lambda$5169). Estos valores son consistentes con las SNe de Tipo Ic normales o transicionales y son significativamente menores que los de los eventos Ic-BL.
  • Los espectros nebulares de SN 2021mxx (a 102 y 113 días) están dominados por la emisión de [O I] $\lambda\lambda$6300, 6363 y [Ca II] $\lambda\lambda$7291, 7324. La relación de flujo [O I]/[Ca II] es $\sim0.96$.

• Parámetros de la Explosión:

  • SN 2020akf: Fue modelada con $M_{\text{Ni}} \approx 0.12 \pm 0.01 M_\odot$, $M_{\text{ej}} \approx 4.71^{+0.50}_{-0.46} M_\odot$, y $E_k \approx 6.33^{+0.68}_{-0.62} \times 10^{51}$ erg. La relación $E_k/M_{\text{ej}} \approx 0.134$ es comparable a eventos transicionales como SN 2004aw.
  • SN 2021mxx: Fue modelada con $M_{\text{Ni}} \approx 0.05 \pm 0.01 M_\odot$, $M_{\text{ej}} \approx 0.90^{+0.14}_{-0.18} M_\odot$, y $E_k \approx 0.54^{+0.08}_{-0.12} \times 10^{51}$ erg. Este evento tiene una $M_{\text{ej}}$ y una $E_k$ extremadamente bajas, con una relación $E_k/M_{\text{ej}}$ de $\sim0.06$, típica de las SNe de Tipo Ic normales.
  • El modelado con MOSFiT arroja resultados consistentes dentro de las incertidumbres de $3\sigma$, estimando $M_{\text{Ni}} \approx 0.20 M_\odot$ y $M_{\text{ej}} \approx 3.16 M_\odot$ para SN 2020akf, y $M_{\text{Ni}} \approx 0.09 M_\odot$ y $M_{\text{ej}} \approx 1.53 M_\odot$ para SN 2021mxx.

• Progenitor y Entorno:

  • Las metalicidades de las galaxias anfitrionas son cercanas a la solar: $\sim0.81 Z_\odot$ para SN 2020akf (KUG 0925+387B) y $\sim0.76 Z_\odot$ para SN 2021mxx (UGC 11380).
  • Para SN 2021mxx, la relación nebular [O I]/[Ca II] y la estimación de la masa de oxígeno ($\sim0.92 M_\odot$) sugieren una masa de progenitor de la Secuencia Principal de Edad Cero (ZAMS) en el rango de $13\text{--}18 M_\odot$. La baja relación $[O I]/[Ca II]$ sugiere un sistema de progenitor binario.

Significado y Conclusiones
El artículo clasifica a SN 2020akf como una supernova de Tipo Ic transicional, poseedora de propiedades espectrales y fotométricas intermedias entre los eventos de Tipo Ic normales y los de Tipo Ic de línea ancha (Ic-BL), similar a SN 2004aw. Su mayor masa de eyecta y energía cinética la distinguen de las SNe de Tipo Ic normales típicas.

Por el contrario, SN 2021mxx es identificada como una supernova de Tipo Ic normal caracterizada por una masa de eyecta ($\sim0.9 M_\odot$) y una energía cinética extremadamente bajas. Sus parámetros la sitúan firmemente dentro de la distribución de las SNe de Tipo Ic normales bien estudiadas, aunque sus bajos valores de masa resaltan la diversidad dentro de esta subclase. El análisis de la fase nebular de SN 2021mxx apoya un escenario de progenitor que involucra una estrella de menor masa ($13\text{--}18 M_\odot$) probablemente desprendida mediante interacción binaria.

El estudio refuerza la utilidad de combinar el modelado fotométrico (Arnett-Valenti, MOSFiT) con el análisis espectroscópico (TARDIS, relaciones de líneas nebulares) para restringir la física de la explosión y las propiedades del progenitor. Los resultados contribuyen al creciente censo de las SE-SNe, ayudando a delinear los límites entre los eventos de Tipo Ic normales, transicionales y de línea ancha, así como sus respectivos canales de progenitores.