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

技術要約：Ia型超新星と誤認されたType Ic超新星SN 2020akfおよびSN 2021mxxの光度および分光研究

問題と背景
剥ぎ取り型コア崩壊超新星（SE-SNe）、特にType IbおよびIcは、水素およびヘリウムの外層を失った大質量星の爆発的な死を表している。Type Ic超新星は、スペクトルにおける水素およびヘリウム線の欠如によって特徴付けられるが、光度曲線、光度、およびスペクトル特徴において顕著な多様性を示す。この多様性は、「ノーマル」なType Icイベントから、ガンマ線バーストに関連することが多く、極めて高い運動エネルギーを持つ「広幅線型」Type Ic（Ic-BL）超新星まで及ぶ。また、「過渡的（transitional）」と呼ばれることもある一連のイベントは、ノーマル型と広幅線型の間の特性を示す。これらの多様なイベントの爆発メカニズム、プロジェニター（親星）系、および環境の影響を理解するには、詳細かつ個別の対象分析が必要である。本論文は、当初Type Iaと誤認された後にType Icとして再特定された2つのイベント、SN 2020akfおよびSN 2021mxxの詳細な特性評価の必要性に対処するものである。

手法
著者らは、SN 2020akfおよびSN 2021mxxに対して、光学測光と中分解能分光を組み合わせた多波長解析を行った。

• 観測: $UBVRI$バンドにおける光学撮像は、Himalaya Chandra Telescope (HCT) の2メートル級望遠鏡に搭載されたHimalaya Faint Object Spectrograph Camera (HFOSC) を用いて行われた。追加の測光データは、Zwicky Transient Facility (ZTF) およびAsteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS) から取り入れられた。分光カバレッジは、$B$バンド極大値に対して、SN 2020akfでは約$-5$日から$+57$日、SN 2021mxxでは約$-3$日から$+113$日に及んだ。
• データ簡約: 標準的な簡約手法（バイアス減算、フラットフィールド補正）をIRAFを用いて適用した。ホスト銀河の減算は、超新星のフラックスを孤立させるためにテンプレート画像を用いて行われた。赤化補正には、銀河系内の塵のマップおよびCarnegie Supernova Projectのカラーテンプレートとの比較を用いた。
• 光度曲線解析: 多バンドのデータを補間し、消滅補正を行った上で、SuperBolコードを用いて準ボロメトリック光度曲線を構築した。光球温度および半径の進化は、これらの曲線から導出された。
• 分光解析: スペクトルの進化は、顕著な吸収および放出特徴（例：Fe II, Si II, Ca II, C II, O I）を特定することによって解析された。光球膨張速度は、Fe II $\lambda$5169、Si II $\lambda$6355、およびCa II NIR tripletの吸収谷へのガウスプロファイルのフィッティングによって推定された。
• モデリング:
  • Arnett-Valentiモデル: 半解析的な放射拡散モデルを用い、合成$^{56}$Ni質量（$M_{\text{Ni}}$）、噴出物質量（$M_{\text{ej}}$）、および運動エネルギー（$E_k$）を含む爆発パラメータを推定した。準ボロメトリック光度曲線のフィッティングには、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法を用いた。
  • TARDIS: 1次元放射伝達コードを用いてスペクトル進化をモデリングし、密度プロファイルおよび元素組成を導出した。
  • MOSFiT: 多色光度曲線のモデリングにModular Open-Source Fitter for Transientsを使用し、爆発パラメータをクロスバリデーションした。
• プロジェニターおよび環境: ホスト銀河の金属量は、SDSSおよびカスタム分光による放出線比（N2およびO3N2指数）を用いて推定された。プロジェニター質量は、星雲相の[O I]/[Ca II]線比および理論的な星雲モデルとの比較から推論された。

主な結果

• 光度的特性:

  • SN 2020akf: $B$バンドで$\sim16$日の上昇時間を持つ、幅の広い光度曲線を示す。ピーク絶対等級は$M_V = -17.85 \pm 0.15$ magであり、ピーク準ボロメトリック光度は$\log L_{\text{bol}} = 42.37 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$である。
  • SN 2021mxx: より狭い光度曲線を示し、上昇（$\sim10.4$日）および減少が速い。ピーク絶対等級は$M_V = -17.60 \pm 0.15$ magであり、ピーク準ボロメトリック光度は$\log L_{\text{bol}} = 42.21 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$である。
  • 両イベントとも典型的なノーマルType Ic超新星（例：SN 2007gr）より明るく、Ic-BLイベント（例：SN 1998bw）よりは暗い。

• 分光学的進化:

  • 両者は、顕著なFe II、Ca II、およびMg II 特徴を伴う青い連続成分を示す。SN 2020akfは、極大前相において強いC II 線を示すが、これらは急速に減衰する。
  • 最大光における光球速度は、SN 2020akfで$\sim15,000$ km s$^{-1}$、SN 2021mxxで$\sim10,000$ km s$^{-1}$（Fe II $\lambda$5169から導出）である。これらの値はノーマル型から過渡的なType Ic超新星と一致しており、Ic-BLイベントよりも大幅に低い。
  • SN 2021mxxの星雲相スペクトル（102日および113日）は、[O I] $\lambda\lambda$6300, 6363 および [Ca II] $\lambda\lambda$7291, 7324 の放出によって支配されている。[O I]/[Ca II] フラックス比は$\sim0.96$である。

• 爆発パラメータ:

  • SN 2020akf: $M_{\text{Ni}} \approx 0.12 \pm 0.01 M_\odot$、$M_{\text{ej}} \approx 4.71^{+0.50}_{-0.46} M_\odot$、および $E_k \approx 6.33^{+0.68}_{-0.62} \times 10^{51}$ erg でモデリングされた。比率 $E_k/M_{\text{ej}} \approx 0.134$ は、SN 2004awのような過渡的イベントに匹敵する。
  • SN 2021mxx: $M_{\text{Ni}} \approx 0.05 \pm 0.01 M_\odot$、$M_{\text{ej}} \approx 0.90^{+0.14}_{-0.18} M_\odot$、および $E_k \approx 0.54^{+0.08}_{-0.12} \times 10^{51}$ erg でモデリングされた。このイベントは極めて低い $M_{\text{ej}}$ と $E_k$ を持ち、$E_k/M_{\text{ej}}$ 比は$\sim0.06$であり、ノーマルType Ic超新星に典型的である。
  • MOSFiT モデリングは、$3\sigma$ の不確かさ内で一致する結果を与え、SN 2020akfに対して $M_{\text{Ni}} \approx 0.20 M_\odot$ および $M_{\text{ej}} \approx 3.16 M_\odot$ を、SN 2021mxxに対して $M_{\text{Ni}} \approx 0.09 M_\odot$ および $M_{\text{ej}} \approx 1.53 M_\odot$ を推定した。

• プロジェニターおよび環境:

  • ホスト銀河の金属量は、SN 2020akf（KUG 0925+387B）で$\sim0.81 Z_\odot$、SN 2021mxx（UGC 11380）で$\sim0.76 Z_\odot$と、太陽に近い値であった。
  • SN 2021mxxについては、星雲相の [O I]/[Ca II] 比と酸素質量の推定値（$\sim0.92 M_\odot$）から、プロジェニターの零歳主系列（ZAMS）質量は $13\text{--}18 M_\odot$ の範囲にあることが示唆される。低い $[O I]/[Ca II]$ 比は、連星プロジェニター系を示唆している。

意義および結論
本論文は、SN 2020akfを、ノーマルType Icと広幅線型Type Ic（Ic-BL）イベントの中間に位置するスペクトルおよび光度的特性を持つ、過渡的Type Ic超新星として分類している。これはSN 2004awに類似しており、その高い噴出物質量と運動エネルギーが、典型的なノーマルType Ic超新星とは異なる点である。

逆に、SN 2021mxxは、極めて低い噴出物質量（$\sim0.9 M_\odot$）と運動エネルギーを特徴とするノーマルType Ic超新�星として特定された。そのパラメータは、よく研究されているノーマルType Ic超新星の分布内にしっかりと位置しているが、その低質量値は、このサブクラス内の多様性を際立たせている。SN 2021mxxの星雲相の解析は、連星相互作用によって剥ぎ取られた可能性のある、より低質量の星（$13\text{--}18 M_\odot$）のプロジェニターシナリオを支持している。

本研究は、光度モデリング（Arnett-Valenti, MOSFiT）と分光解析（TARDIS, 星雲線比）を組み合わせることが、爆発物理学およびプロジェニター特性を制約する上で有用であることを再確認するものである。得られた結果は、SE-SNeの増加するカタログに貢献し、ノーマル、過渡的、および広幅線型Type Icイベントの境界、ならびにそれらのプロジェニターチャネルを明確にする助けとなる。