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

기술 요약: Type Ic 초신성 SN 2020akf 및 SN 2021mxx에 대한 광도 및 분광 연구

문제 및 배경
박리된 외피를 가진 핵심 붕괴 초신성(SE-SNe), 구체적으로 Type Ib 및 Ic는 수소와 헬륨 외피를 잃은 질량 큰 별들의 폭발적인 죽음을 나타낸다. Type Ic 초신성은 스펙트럼에서 수소와 헬륨 선이 나타나지 않는 것이 특징이지만, 광도 곡선의 형태, 광도 및 스펙트럼 특징에서 상당한 다양성을 보인다. 이러한 다양성은 "정상적인(normal)" Type Ic 이벤트부터 감마선 폭발과 연관되며 매우 높은 운동 에너지를 가진 "광폭 선(broad-lined)" Type Ic (Ic-BL) 초신성에 이르기까지 폭넓다. 때때로 "전이형(transitional)"이라 불리는 일부 이벤트들은 정상 및 광폭 선 클래스 사이의 중간적 특성을 보여준다. 이러한 다양한 이벤트들의 폭발 메커즘, 전구체 시스템 및 환경적 영향을 이해하기 위해서는 상세하고 대상 특이적인 분석이 필요하다. 본 논문은 처음에 Type Ia로 오분류되었다가 Type Ic로 재식별된 두 가지 이벤트인 SN 2020akf와 SN 2021mxx에 대한 포괄적인 특성화를 다룬다.

방법론
저자들은 SN 2020akf와 SN 2021mxx에 대해 광학 광도 측정과 중해상도 분광학을 결합한 다파장 분석을 수행하였다.

• 관측: $UBVRI$ 밴드에서의 광학 이미징은 2미터 Himalayan Chandra Telescope (HCT)의 Himalaya Faint Object Spectrograph Camera (HFOSC)를 사용하여 수행되었다. 추가적인 광도 데이터는 Zwicky Transient Facility (ZTF) 및 Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS)로부터 통합되었다. 분광 범위는 $B$-band 최대 광도 기준 SN 20220akf의 경우 약 $-5$에서$+57$일까지, SN 2021mxx의 경우 약 $-3$에서$+113$일까지였다.
• 데이터 감소: 표준 감소 기법(바이어스 차감, 플랫 필딩)이 IRAF를 사용하여 적용되었다. 은하 배경 제거는 초신성 플럭스를 격리하기 위해 템플릿 이미지를 사용하여 수행되었다. 은하 먼지에 의한 적색화 보정은 Galactic dust map과 Carnegie Supernova Project의 컬러 템플릿 비교를 통해 적용되었다.
• 광도 곡선 분석: 다중 밴드 데이터를 보간하고 소멸을 보정한 후, SuperBol 코드를 사용하여 준볼로메트릭(quasi-bolometric) 광도 곡선을 구축하였다. 광구 온도와 반경의 진화는 이 곡선들로부터 도출되었다.
• 분광 분석: 주요 흡수 및 방출 특징(예: Fe II, Si II, Ca II, C II, O I)을 식별함으로써 스펙트럼 진화를 분석하였다. 광구 팽창 속도는 Fe II $\lambda$5169, Si II $\lambda$6355, Ca II NIR triplet 선의 가우시안 프로파일 피팅을 통해 추정되었다.
• 모델링:
  • Arnett-Valent 모델: 합성 $^{56}$Ni 질량($M_{\text{Ni}}$), 이젝타 질량($M_{\text{ej}}$), 운동 에너지($E_k$)를 포함한 폭발 매개변수를 추정하기 위해 준해석적 복사 확산 모델이 사용되었다. MCMC(Markov Chain Montement Carlo) 방법이 준볼로메트릭 광도 곡선을 피팅하는 데 사용되었다.
  • TARDIS: 밀도 프로파일과 원소 함량을 도출하기 위해 1차원 복사 전달 코드가 사용되었다.
  • MOSFiT: 폭발 매개변수를 교차 검증하기 위해 다색 광도 곡선 모델링을 위한 Modular Open-Source Fitter for Transients가 활용되었다.
• 전구체 및 환경: 호스트 은하의 금속성은 SDSS 및 커스텀 분광법으로부터 얻은 방출선 비율(N2 및 O3N2 지수)을 사용하여 추정되었다. 전구체 질량은 성단기(nebular phase) [O I]/[Ca II] 선 비율과 이론적 성단 모델과의 비교를 통해 추론되었다.

주요 결과

• 광도 특성:

  • SN 2020akf: $B$-밴드에서 $\sim16$일의 상승 시간을 갖는 넓은 광도 곡선을 보인다. 피크 절대 등급은 $M_V = -17.85 \pm 0.15$ mag이며, 피크 준볼로메트릭 광도는 $\log L_{\text{bol}} = 42.37 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$이다.
  • SN 2021mxx: 더 좁은 광도 곡선을 보이며, 더 빠른 상승($\sim10.4$일)과 하강을 나타낸다. 피크 절대 등급은 $M_V = -17.60 \pm 0.15$ mag이며, 피크 준볼로메트릭 광도는 $\log L_{\text{bol}} = 42.21 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$이다.
  • 두 이벤트 모두 전형적인 정상 Type Ic SNe (예: SN 2007gr)보다는 밝지만, Ic-BL 이벤트 (예: SN 1998bw)보다는 어둡다.

• 분광 진화:

  • 두 SN 모두 두드러진 Fe II, Ca II, Mg II 특징을 가진 청색 연속 스펙트럼을 보여준다. SN 2020akf는 극대 이전 단계에서 강한 C II 선을 보이지만 빠르게 사라진다.
  • 최대 광도에서의 광구 속도는 SN 2020akf의 경우 $\sim15,000$ km s$^{-1}$, SN 2021mxx의 경우 $\sim10,000$ km s$^{-1}$이다 (Fe II $\lambda$5169로부터 유도됨). 이 값들은 정상 또는 전이형 Type Ic SNe와 일치하며, Ic-BL 이벤트보다는 현저히 낮다.
  • SN 2021mxx의 성단기 스펙트럼(102일 및 113일)은 [O I] $\lambda\lambda$6300, 6363 및 [Ca II] $\lambda\lambda$7291, 7324 방출에 의해 지배된다. [O I]/[Ca II] 플럭스 비율은 $\sim0.96$이다.

• 폭발 매개변수:

  • SN 2020akf: $M_{\text{Ni}} \approx 0.12 \pm 0.01 M_\odot$, $M_{\text{ej}} \approx 4.71^{+0.50}_{-0.46} M_\odot$, $E_k \approx 6.33^{+0.68}_{-0.62} \times 10^{51}$ erg로 모델링되었다. 비율 $E_k/M_{\text{ej}} \approx 0.134$는 SN 2004aw와 같은 전이형 이벤트와 유사하다.
  • SN 2021mxx: $M_{\text{Ni}} \approx 0.05 \pm 0.01 M_\odot$, $M_{\text{ej}} \approx 0.90^{+0.14}_{-0.18} M_\odot$, $E_k \approx 0.54^{+0.08}_{-0.12} \times 10^{51}$ erg로 모델링되었다. 이 이벤트는 매우 낮은 $M_{\text{ej}}$와 $E_k$를 가지며, $E_k/M_{\text{ej}}$ 비율은 $\sim0.06$으로 정상 Type Ic SNe의 전형적인 수치이다.
  • MOSFiT 모델링은 $3\sigma$ 불확실성 내에서 일치하는 결과를 산출하였으며, SN 2020akf에 대해 $M_{\text{Ni}} \approx 0.20 M_\odot$ 및 $M_{\text{ej}} \approx 3.16 M_\odot$, SN 2021mxx에 대해 $M_{\text{Ni}} \approx 0.09 M_\odot$ 및 $M_{\text{ej}} \approx 1.53 M_\odot$를 추정하였다.

• 전구체 및 환경:

  • 호스트 은하 금속성은 태양 근처이다: SN 2020akf의 경우 $\sim0.81 Z_\odot$ (KUG 0925+387B), SN 2021mxx의 경우 $\sim0.76 Z_\odot$ (UGC 11380).
  • SN 2021mxx의 경우, 성단기 [O I]/[Ca II] 비율과 산소 질량 추정치($\sim0.92 M_\odot$)는 전구체의 제로 연령 주계열(ZAMS) 질량이 $13\text{--}18 M_\odot$ 범위에 있음을 시사한다. 낮은 $[O I]/[Ca II]$ 비율은 쌍성 전구체 시스템을 시사한다.

의의 및 결론
본 논문은 SN 2020akf를 전이형 Type Ic 초신성으로 분류하며, 이는 SN 2004aw와 유사하게 정상 Type Ic 및 광폭 선 Type Ic (Ic-BL) 이벤트 사이의 중간적 스펙트럼 및 광도 특성을 보유하고 있다. 이 이벤트의 높은 이젝타 질량과 운동 에너지는 전형적인 정상 Type Ic SNe와 구별된다.

반면, SN 2021mxx는 매우 낮은 이젝타 질량($\sim0.9 M_\odot$)과 운동 에너지($E_k$)를 특징으로 하는 정상 Type Ic 초신성으로 식별되었다. 이 이벤트의 매개변수는 잘 알려진 정상 Type Ic SNe의 분포 내에 확고히 자리 잡고 있으나, 낮은 질량 값은 이 하위 클래스 내의 다양성을 강조한다. SN 2021mxx의 성단기 분석은 쌍성 상호작용을 통해 박리된 저질량 별($13\text{--}18 M_\odot$)의 전구체 시나리오를 뒷받침한다.

이 연구는 폭발 물리학과 전구체 특성을 규명하기 위해 광도 모델링(Arnett-Valenti, MOSFiT)과 분광 분석(TARDIS, 성단 선 비율)을 결합하는 것의 유용성을 재확인한다. 본 결과는 SE-SNe의 증가하는 목록에 기여하며, 정상, 전이형 및 광폭 선 Type Ic 이벤트와 그 각각의 전구체 채널 사이의 경계를 획정하는 데 도움을 준다.