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

技術要約：光球相における近傍のHe過剰超ルミノシティ・スーパーノバ SN 2021bnw

問題と背景
超ルミノシティ・スーパーノバ（SLSNe）は、その極端な光度を支えるために必要な$^{56}$Niの質量を合成することが困難であるため、古典的なニュートリノ駆動型コア崩壊パラダイムに挑戦を突きつけている。実行可能な説明としては、誕生したマグネターの回転減衰放射や、噴出物（エジェクタ）と星周物質（CSM）との相互作用が挙げられるが、SLSNe Iの主要な動力源は依然として解明されていない。特に、ヘリウムに富むSLSNe（SLSNe Ib）の性質は、サンプルサイズが小さいため、制約が不十分である。ヘリウム線の検出が、再上昇（rebrightening）のような光度曲線（LC）の特徴や、CSMとの相互作用と相関しているのかどうかは不明である。SN 2021bnwは、水素が欠乏しているがヘリウムに富むSLSN Ibであり、このサンプルを拡大し、親星の質量と駆動メカニズムを制約する機会を提供している。

手法
著者らは、Zwicky Transient Facility (ZTF) によって発見され、ePESSTO+ によって分類された SN 2021bnw の広範な分光測光フォローアップ・キャンペーンを提示している。

• 観測: 光学から近赤外線（NIR）にかけての測光は、複数の施設（ZTF, ATLAS, LCO, NOTCam, SOFIAなど）を用いて行われた。また、光学およびNIRスペクトルは、極大期前から後期（極大後97日まで）にかけて収集された。
• データ簡約: 画像データは、専用のパイプラインまたは ecsnoopy を用いて簡約された。スペクトルは、標準的なIRAFルーチンまたは専用のパイプラインを用いて簡約された。
• 解析手法:
  • 光度曲線: 極大光度は多項式フィッティングによって決定された。多色測光から導出された分光エネルギー分布（SED）を積分することにより、擬似ボロメトリック光度曲線が構築された。
  • スペクトル同定: NIRスペクトル（極大後87日）は、ヘリウムの特徴を同定するために分析された。著者らは、合成スペクトルを生成するためにモンテカルロ放射伝達コード TARDIS を用い、線同定（具体的には He I $\lambda$1.083 $\mu$m および $\lambda$2.058 $\mu$m）を観測データに対して検証した。
  • 物理モデリング: 爆発パラメータを制約するため、著者らは流体力学と放射伝達を結合させた STELLA コードを利用した。$^{56}$Ni + CSM 相互作用シナリオをテストし、モデルの出力を観測されたボロメトリック光度曲線と比較した。

主な結果

• 測光: SN 2021bnw は、$M_g = -20.70 \pm 0.10$ mag の絶対極大等級に達した。光度曲線は、楔形の上昇と下降を示し、その後、約80日間続く線形減少相を示した。特筆すべきことに、光学バンドにおいて2つの偏差（再上昇）が検出された。一つ目は約35日でピークに達するバンプであり、二つ目は70–80日付近のバンプである。擬似ボロメトリック減少率（~0.016 mag d$^{-1}$）は、完全な$\gamma$線捕捉を仮定した $^{56}$Co 崩壊勾配よりも速かった。
• 分光: 初期のスペクトルは、O II や Ca II の特徴を伴う高温（~14,000–17,000 K）を示した。極大後87日に取得されたNIRスペクトルは、明確な吸収特徴を示した。TARDIS モデリングによりヘリウムの存在が確認され、ヘリウム質量は $\sim$0.10–0.15 $M_\odot$ と推定された。He I $\lambda$1.083 $\mu$m および $\lambda$2.058 $\mu$m の同定は、高い膨張速度による特徴の重なりがあるものの、合成スペクトルによって支持された。
• 物理パラメータ: $^{56}$Ni + CSM シナリオを用いた STELLA モデリングにより、エジェクタ質量 $\approx$15–20 $M_\odot$、CSM質量 $\approx$7 $M_\odot$、爆発エネルギー $\approx$5 $\times$ 10$^{51}$ erg、および $^{56}$Ni質量 $\approx$1.7 $M_\odot$ という値に収束した。
• 比較: SN 2021bnw は、光度曲線の形状およびスペクトル進化において SN 2017egm と驚くべき類似性を共有している。しかし、他のSLSNeで見られる標準的な $t_{\text{decline}}$ 対 $t_{\text{rise}}$ の相関からは逸脱しており、著者らはこの挙動をCSM相互作用に起因するものとしている。

結論と意義
本論文は、SN 2021bnw が、中心エネルギー源（潜在的には $^{56}$Ni 崩壊であるが、マグネターの可能性も排除されていない）と、以前に放出されたヘリウムに富む星周物質とのエジェクタの相互作用の組み合わせによって駆動された可能性が高いと結論付けている。NIRにおけるヘリウム線の検出は、特定の光度曲線の形態（再上昇）と相まって、CSM相互作用がSLSNeの進化を形作る上で重要な役割を果たしているという仮説を支持している。

本研究の意義は、拡大しつつあるSLSNe Ibのサンプルへの貢献にある。単一の親星シナリオに対する親星の質量と爆発物理学の詳細な制約を提供することで、本研究はSLSN Ibの親星の性質を絞り込むのに役立つ。著者らは、導出されたパラメータ（高い $^{56}$Ni 質量と運動エネルギー）が通常のコア崩壊からの逸脱を示唆しており、潜在的にコラプサーや磁気回転的シナリオを指し示しているが、これらの推定には詳細な恒星進化研究によるさらなる確認が必要であると述べている。本論文は、光学スペクトルにおいてCSM相互作用の明確な分光学的兆候が見られないことは、エジェクタとCSMの構成における非対称性を示唆しており、これは回転駆動型の爆発チャネルから自然に生じる特徴であることを強調している。