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

Sintesi Tecnica: La vicina supernova superluminosa ricca di He SN 2021bnw durante le fasi fotosferiche

Problema e Contesto
Le supernovae superluminose (SLSNe) sfidano il classico paradigma del collasso del nucleo guidato dai neutrini, poiché la sintesi della massa di $^{56}$Ni necessaria per alimentare le loro estreme luminosità è difficile. Sebbene esistano spiegazioni percorribili, come il decadimento della radiazione di un magnetar appena nata e l'interazione dell'ejecta con il materiale circumstellare (CSM), la fonte di energia dominante per le SLSNe I rimane elusiva. Nello specifico, la natura delle SLSNe ricche di elio (SLSNe Ib) è scarsamente vincolata a causa di un campione limitato. Non è chiaro se il rilevamento di linee di He sia correlato a specifiche caratteristiche della curva di luce (LC), come i ri-incrementi (rebrightenings), o all'interazione con il CSM. SN 2021bnw, una SLSN Ib povera di idrogeno ma ricca di elio, rappresenta un'opportunità per espandere questo campione e vincolare le masse dei progenitori e i meccanismi di alimentazione.

Metodologia
Gli autori presentano una estesa campagna di follow-up spettro-fotometrico di SN 2021bnw, scoperta dal Zwicky Transient Facility (ZTF) e classificata da ePESSTO+.

• Osservazioni: La fotometria dall'ottico al vicino infrarosso (NIR) è stata ottenuta utilizzando diverse strutture (ZTF, ATLAS, LCO, NOTCam, SOFI, ecc.), e gli spettri ottici/NIR sono stati raccolti dalle fasi pre-massimo fino alle fasi tardive (fino a 97 giorni dopo il massimo).
• Riduzione dei dati: I dati di imaging sono stati ridotti utilizzando pipeline dedicate o ecsnoopy. Gli spettri sono stati ridotti con routine standard IRAF o pipeline dedicate.
• Tecniche di analisi:
  • Curve di Luce: L'epoca di massima luminosità è stata determinata tramite fitting polinomiale. Le curve di luce pseudo-bolometriche sono state costruite integrando le distribuzioni di energia spettrale (SED) derivate dalla fotometria multicolore.
  • Identificazione Spettrale: Lo spettro NIR (87 giorni dopo il massimo) è stato analizzato per identificare le caratteristiche dell'elio. Gli autori hanno impiegato il codice di trasferimento radiativo Monte Carlo TARDIS per generare spettri sintetici, testando le identificazioni delle linee (specificamente He I $\lambda$1.083 $\mu$m e $\lambda$2.058 $\mu$m) rispetto ai dati osservati.
  • Modellazione Fisica: Per vincolare i parametri di esplosione, gli autori hanno utilizzato il codice STELLA, che accoppia idrodinamica e trasporto di radiazione. Hanno testato uno scenario $^{56}$Ni + interazione CSM, confrontando gli output del modello con la curva di luce bolometrica osservata.
• Risultati Chiave
• Fotometria: SN 2021bnw ha raggiunto una magnitudine di picco assoluta di $M_g = -20.70 \pm 0.10$ mag. La curva di luce ha esibito una salita e una discesa a forma di cuneo, seguite da una fase di declino lineare durata circa 80 giorni. Notevolmente, sono stati rilevati due scostamenti (ri-incrementi): un primo bump con picco a 35 giorni e un secondo intorno a 70–80 giorni. Il tasso di declino pseudo-bolometrico (0.016 mag d$^{-1}$) è stato più veloce della pendenza del decadimento del $^{56}$Co assumendo un pieno intrappolamento dei raggi $\gamma$.
• Spettroscopia: Gli spettri precoci hanno mostrato temperature calde (~14,000–17,000 K) con caratteristiche di O II e Ca II. Lo spettro NIR acquisito 87 giorni dopo il massimo ha rivelato distinte caratteristiche di assorbimento. La modellazione TARDIS ha confermato la presenza di elio, stimando una massa di elio di $\sim$0.10–0.15 $M_\odot$. L'identificazione di He I $\lambda$1.083 $\mu$m e $\lambda$2.058 $\mu$m è stata supportata dagli spettri sintetici, nonostante la fusione (blending) delle caratteristiche dovuta alle alte velocità di espansione.
• Parametri Fisici: La modellazione STELLA di uno scenario $^{56}$Ni + CSM è confluita su una massa di ejecta di $\approx$15–20 $M_\odot$, una massa di CSM di $\approx$7 $M_\odot$, un'energia di esplosione di $\approx$5 $\times$ 10$^{51}$ erg e una massa di $^{56}$Ni di $\approx$1.7 $M_\odot$.
• Confronti: SN 2021bnw condivide notevoli somiglianze nella forma della curva di luce e nell'evoluzione spettrale con SN 2017egm. Tuttavia, devia dalla standard correlazione $t_{\text{decline}}$ vs $t_{\text{rise}}$ osservata in altre SLSNe, un comportamento che gli autori attribuiscono all'interazione con il CSM.

Conclusioni e Significato
L'articolo conclude che SN 2021bnw è stata probabilmente alimentata da una combinazione di una sorgente centrale di energia (potenzialmente il decadimento di $^{56}$Ni, sebbene un magnetar non sia esclusa) e dall'interazione dell'ejecta con un materiale circumstellare ricco di elio precedentemente perso. Il rilevamento di linee di elio nel NIR, unito alla specifica morfologia della curva di luce (ri-incrementi), supporta l'ipotesi che l'interazione con il CSM giochi un ruolo significativo nel modellare l'evoluzione delle SLSNe Ib.

La significatività di questo lavoro risiede nel suo contributo all'espansione del campione delle SLSNe Ib. Fornendo vincoli dettagliati sulla massa del progenitore e sulla fisica dell'esplosione per uno scenario a singolo progenitore, lo studio aiuta a restringere la natura dei progenitori delle SLSN I(b). Gli autori osservano che, mentre i loro parametri derivati (alta massa di $^{56}$Ni e energia cinetica) suggeriscono un allontanamento dal collasso del nucleo ordinario — puntando potenzialmente verso scenari di collapsar o magneto-rotazionali — queste stime richiedono ulteriori conferme attraverso studi approfonditi sull'evoluzione stellare. L'articolo sottolinea che l'assenza di chiare firme spettroscopiche di interazione CSM negli spettri ottici può indicare un'asimmetria nella configurazione ejecta-CSM, una caratteristica che sorge naturalmente nei canali di esplosione guidati dalla rotazione.