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

Sintesi Tecnica: Studi Fotometrici e Spettroscopici delle Supernovae di Tipo Ic SN 2020akf e SN 2021mxx

Problema e Contesto
Le supernovae a collasso nucleare con involucro rimosso (SE-SNe), specificamente di Tipo Ib e Ic, rappresentano la morte esplosiva di stelle massicce che hanno perso i loro involucri di idrogeno ed elio. Mentre le supernovae di Tipo Ic sono caratterizzate dall'assenza di righe di idrogeno ed elio nei loro spettri, esse esibiscono una significativa diversità nelle forme delle curve di luce, nelle luminosità e nelle caratteristiche spettrali. Questa diversità spazia dagli eventi di Tipo Ic "normali" alle supernovae di Tipo Ic a righe larghe (Ic-BL), che sono spesso associate a burst di raggi gamma e possiedono energie cinetiche estremamente elevate. Un sottoinsieme di eventi, talvolta definiti "transizionali", mostra proprietà intermedie tra le classi normali e a righe larghe. Questo articolo affronta la necessità di una caratterizzazione completa di due tali eventi, SN 2020akf e SN 2021mxx, inizialmente classificati erroneamente come Tipo Ia prima di essere riidentificati come Tipo Ic.

Metodologia
Gli autori hanno condotto un'analisi multi-lunghezza d'onda combinando fotometria ottica e spettroscopia a media risoluzione per SN 2020akf e SN 2021mxx.

• Osservazioni: L'imaging ottico nelle bande $UBVRI$ è stato eseguito utilizzando l'Himalaya Faint Object Spectrograph Camera (HFOSC) sul telescopio 2 metri Himalayan Chandra Telescope (HCT). Altri dati fotometrici sono stati incorporati dal Zwicky Transient Facility (ZTF) e dall'Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS). La copertura spettrale ha spaziato da $\sim-5$ a $+57$ giorni per SN 2020akf e da $\sim-3$ a $+113$ giorni per SN 2021mxx rispetto al massimo in banda $B$.
• Riduzione dei Dati: Le tecniche standard di riduzione (sottrazione del bias, flat-fielding) sono state applicate utilizzando IRAF. La sottrazione della galassia ospite è stata eseguita utilizzando immagini template per isolare il flusso della supernova. Le correzioni per l'arrossamento sono state applicate utilizzando mappe di polvere galattica e confronti con template di colore del Carnegie Supernova Project.
• Analisi della Curva di Luce: Le curve di luce quasi-bolometriche sono state costruite utilizzando il codice SuperBol, interpolando i dati multi-banda e correggendo per l'estinzione. L'evoluzione della temperatura e del raggio fotometrico è stata derivata da queste curve.
• Analisi Spettrale: L'evoluzione spettrale è stata analizzata identificando righe di assorbimento ed emissione prominenti (ad es., Fe II, Si II, Ca II, C II, O I). Le velocità di espansione fotometrica sono state stimate tramite il fitting di profili gaussiani ai minimi di assorbimento di Fe II $\lambda$5169, Si II $\lambda$6355 e del tripletto NIR del Ca II.
• Modellazione:
  • Modello Arnett-Valenti: È stato impiegato un modello di diffusione della radiazione semi-analitico per stimare i parametri dell'esplosione, inclusi la massa di $^{56}$Ni sintetizzata ($M_{\text{Ni}}$), la massa degli espelli ($M_{\text{ej}}$) e l'energia cinetica ($E_k$). Metodi Monte Carlo a catena di Markov (MCMC) sono stati utilizzati per adattare le curve di luce quasi-bolometriche.
  • TARDIS: Un codice di trasferimento radiativo unidimensionale è stato utilizzato per modellare l'evoluzione spettrale, derivando i profili di densità e le abbondanze elementari.
  • MOSFiT: Il Modular Open-Source Fitter for Transients è stato utilizzato per la modellazione delle curve di luce multi-colore al fine di validare incrociatamente i parametri di esplosione.
• Progenitore e Ambiente: Le metallicità delle galassie ospiti sono state stimate utilizzando i rapporti delle righe di emissione (indici N2 e O3N2) da SDSS e spettroscopia personalizzata. Le masse dei progenitori sono state inferite dai rapporti delle righe nebulari [O I]/[Ca II] e dai confronti con modelli nebulari teorici.

Risultati Chiave

• Proprietà Fotometriche:

  • SN 2020akf: Esibisce una curva di luce ampia con un tempo di salita di $\sim16$ giorni nella banda $B$. L'magnitudine assoluta di picco è $M_V = -17.85 \pm 0.15$ mag, con una luminosità quasi-bolometrica di picco di $\log L_{\text{bol}} = 42.37 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$.
  • SN 2021mxx: Mostra una curva di luce più stretta con una salita ($\sim10.4$ giorni) e una decrescita più rapide. L'magnitudine assoluta di picco è $M_V = -17.60 \pm 0.15$ mag, con una luminosità quasi-bolometrica di picco di $\log L_{\text{bol}} = 42.21 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$.
  • Entrambi gli eventi sono più brillanti delle tipiche supernovae di Tipo Ic normali (ad es., SN 2007gr) ma meno brillanti degli eventi Ic-BL (ad es., SN 1998bw).

• Evoluzione Spettrale:

  • Entrambe le SN mostrano continui blu con prominenti caratteristiche di Fe II, Ca II e Mg II. SN 2020akf mostra forti righe di C II nella fase pre-massimo, che svaniscono rapidamente.
  • Le velocità fotometriche al massimo della luce sono di $\sim15,000$ km s$^{-1}$ per SN 2020akf e $\sim10,000$ km s$^{-1}$ per SN 2021mxx (derivate da Fe II $\lambda$5169). Tali valori sono coerenti con le supernovae di Tipo Ic normali o transizionali e sono significativamente inferiori rispetto agli eventi Ic-BL.
  • Gli spettri nebulari di SN 2021mxx (a 102 e 113 giorni) sono dominati dalle emissioni di [O I] $\lambda\lambda$6300, 6363 e [Ca II] $\lambda\lambda$7291, 7324. Il rapporto di flusso [O I]/[Ca II] è $\sim0.96$.

• Parametri di Esplosione:

  • SN 2020akf: Modellata con $M_{\text{Ni}} \approx 0.12 \pm 0.01 M_\odot$, $M_{\text{ej}} \approx 4.71^{+0.50}_{-0.46} M_\odot$, ed $E_k \approx 6.33^{+0.68}_{-0.62} \times 10^{51}$ erg. Il rapporto $E_k/M_{\text{ej}} \approx 0.134$ è comparabile agli eventi transizionali come SN 2004aw.
  • SN 2021mxx: Modellata con $M_{\text{Ni}} \approx 0.05 \pm 0.01 M_\odot$, $M_{\text{ej}} \approx 0.90^{+0.14}_{-0.18} M_\odot$, ed $E_k \approx 0.54^{+0.08}_{-0.12} \times 10^{51}$ erg. Questo evento ha una $M_{\text{ej}}$ ed una $E_k$ estremamente basse, con un rapporto $E_k/M_{\text{ej}}$ di $\sim0.06$, tipico delle supernovae di Tipo Ic normali.
  • La modellazione MOSFiT fornisce risultati coerenti entro le incertezze a $3\sigma$, stimando $M_{\text{Ni}} \approx 0.20 M_\odot$ e $M_{\text{ej}} \approx 3.16 M_\odot$ per SN 2020akf, e $M_{\text{Ni}} \approx 0.09 M_\odot$ e $M_{\text{ej}} \approx 1.53 M_\odot$ per SN 2021mxx.

• Progenitore e Ambiente:

  • Le metallicità delle galassie ospiti sono vicine a quella solare: $\sim0.81 Z_\odot$ per SN 2020akf (KUG 0925+387B) e $\sim0.76 Z_\odot$ per SN 2021mxx (UGC 11380).
  • Per SN 2021mxx, il rapporto nebulare [O I]/[Ca II] e la stima della massa di ossigeno ($\sim0.92 M_\odot$) suggeriscono un intervallo di massa ZAMS (Zero-Age Main Sequence) del progenitore compreso tra $13\text{--}18 M_\odot$. Il basso rapporto $[O I]/[Ca II]$ suggerisce un sistema progenitore binario.

Significato e Conclusioni
L'articolo classifica SN 2020akf come una supernova di Tipo Ic transizionale, dotata di proprietà spettrali e fotometriche intermedie tra le supernovae di Tipo Ic normali e quelle a righe larghe (Ic-BL), simili a SN 2004aw. La sua maggiore massa degli espelli e l'energia cinetica la distinguono dalle tipiche supernovae di Tipo Ic normali.

Al contrario, SN 2021mxx è identificata come una supernova di Tipo Ic normale caratterizzata da una massa degli espelli ($\sim0.9 M_\odot$) ed un'energia cinetica estremamente basse. I suoi parametri la collocano fermamente all'interno della distribuzione delle ben studiate supernovae di Tipo Ic normali, sebbene i suoi bassi valori di massa evidenzino la diversità all'interno di questa sottoclasse. L'analisi della fase nebulare di SN 2021mxx supporta uno scenario di progenitore che coinvolge una stella di massa inferiore ($13\text{--}18 M_\odot$) probabilmente rimossa tramite interazione binaria.

Lo studio conferma l'utilità di combinare la modellazione fotometrica (Arnett-Valenti, MOSFiT) con l'analisi spettrale (TARDIS, rapporti delle righe nebulari) per vincolare la fisica dell'esplosione e le proprietà del progenitore. I risultati contribuiscono al crescente censimento delle SE-SNe, aiutando a delineare i confini tra gli eventi di Tipo Ic normali, transizionali e a righe larghe e i rispettivi canali di progenitore.