Eruptive mass loss less than a year before the explosion of superluminous supernovae. II. A systematic search for pre-explosion eruptions with VLT/X-shooter

Probleemstelling

De evolutie en het uiteindelijke lot van massieve sterren zijn nauw verbonden met hun massa-verliesgeschiedenis. Hoewel continue sterwinden bekend zijn, kunnen in de late stadia van de ster-evolutie episodische, gewelddadige uitbarstingen optreden die grote hoeveelheden materiaal uitstoten. Deze eruptieve massa-verliesgebeurtenissen vormen omringende materie (CSM - Circumstellar Material) schillen.
Superluminous supernovae van type I (SLSNe-I) zijn zeldzame, extreem heldere explosies waarvan wordt aangenomen dat ze voortkomen uit massieve progenitorsterren. Recentelijk is in een handvol SLSNe-I (zoals iPTF16eh en SN 2018ibb) een specifiek spectroscopisch kenmerk waargenomen: een breed Mg II-absorptiesysteem dat blauwverschoven is met enkele duizenden km/s ten opzichte van de gastheergalaxie. Dit wordt geïnterpreteerd als resonantieverstrooiing van het supernova-continuüm door een snel uitdijende CSM-schil die kort voor de explosie is uitgestoten.
De kernvraag is of dit fenomeen een zeldzame uitzondering is of een gemeenschappelijk kenmerk van de bredere populatie van SLSNe-I. Tot nu toe waren dergelijke detecties toevallig; er was geen systematisch onderzoek gedaan om de frequentie en de aard van deze pre-explosie-uitbarstingen te bepalen.

Methodologie

De auteurs hebben een systematische zoektocht uitgevoerd naar CSM-schillen in een steekproef van 21 waterstofarme SLSNe-I (SLSNe-I), met een roodverschuiving ($z$) tussen 0,13 en 0,95.

1. Observaties en Steekproef:

   • De steekproef bestaat uit 13 objecten die specifiek zijn geobserveerd met de X-shooter spectrograaf op de VLT (Very Large Telescope) in Chili, aangevuld met 8 objecten uit de literatuur en archieven met vergelijkbare hoge-kwaliteit spectra.
   • De focus lag op het near-UV-deel van het spectrum (rond 2800 Å), waar de Mg II-resonantielijnen zich bevinden.
   • De spectrale resolutie ($R \approx 5400$) was cruciaal om onderscheid te maken tussen smalle absorptielijnen van het interstellair medium (ISM) van de gastheergalaxie en bredere lijnen van snelle CSM.

2. Data-analyse en Modellering:

   • De auteurs gebruikten een Monte-Carlo verstrooiingscode (gebaseerd op Fransson et al. 2014) om de Mg II-absorptieprofielen te modelleren.
   • Er werd een parametergrid onderzocht variërend in: maximale snelheid ($v_{max}$), binnenste straal ($R_{in}$), schildikte ($\Delta r$) en optische diepte ($\tau$).
   • Een Bayesiaans raamwerk werd toegepast om de significantie van mogelijke CSM-signalen te beoordelen. Door de log-likelihood te vergelijken tussen een "continuüm-only" model en een model met een CSM-schil, werd bepaald of een detectie statistisch significant was (drempel van $>5\sigma$).
   • Voor objecten zonder detectie werden bovengrenzen gesteld aan de eigenschappen van eventuele onzichtbare schillen (bijv. kolomdichtheid) op basis van het signaal-ruisverhouding (S/N) van de spectra.

3. Fotometrische Analyse:

   • De lichtkromme-eigenschappen (piekmagnitude, stijg- en daltijden) van de detecties werden vergeleken met een bredere steekproef van SLSNe-I om te zien of er correlaties bestaan tussen de explosie-eigenschappen en de aanwezigheid van CSM.

Belangrijkste Bijdragen

• Systematische zoektocht: Dit is het eerste systematische onderzoek dat gericht is op het vinden van pre-explosie erupties in een grote steekproef van SLSNe-I, in plaats van enkel op toevallige ontdekkingen.
• Ontwikkeling van een detectiemethode: De auteurs hebben een robuuste statistische methode ontwikkeld om zwakke CSM-signalen te onderscheiden van ruis en om de detectielimieten kwantitatief te definiëren.
• Ontdekking van nieuwe objecten: Naast de reeds bekende gevallen (SN 2018ibb, SN 2020xga, SN 2022xgc), werden twee nieuwe objecten geïdentificeerd met CSM-schillen: DES15S2nr en DES16C3ggu.

Resultaten

1. Detecties:

   • Van de 21 onderzochte objecten toonden 5 objecten een robuuste detectie ($>5\sigma$) van een breed Mg II-absorptiesysteem, consistent met een CSM-schil.
   • De nieuwe ontdekkingen zijn:
     • DES15S2nr: De schil bevindt zich op $\sim 3,4 \times 10^{15}$ cm en beweegt met een maximale snelheid van $\sim 4800$ km/s.
     • DES16C3ggu: De schil bevindt zich op $\sim 4,8 \times 10^{15}$ cm met een snelheid van $\sim 4700$ km/s.
   • De schillen van deze twee nieuwe objecten werden waarschijnlijk ongeveer 2 tot 3 maanden voor de kerninstorting (core collapse) uitgestoten.

2. Snelheidsbereik:

   • Alle gedetecteerde schillen hebben snelheden binnen een vrij smal bereik van 3000 tot 5000 km/s. Dit suggereert een gemeenschappelijk fysiek mechanisme voor de uitstoting, ongeacht de specifieke supernova.

3. Niet-detecties en Selectie-effecten:

   • Voor de 16 objecten zonder detectie konden de auteurs aantonen dat schillen met eigenschappen vergelijkbaar met de gedetecteerde gevallen (bijv. hoge optische diepte en dikte) zouden zijn waargenomen in spectra met een S/N $> 5$.
   • De afwezigheid van signalen in de meeste objecten is dus waarschijnlijk niet het gevolg van observationele beperkingen (selectie-effecten), maar wijst erop dat een subgroep van SLSNe-I-progenitors geen dergelijke late-stadia erupties ondergaat, of dat de schillen te dun (geometrisch of optisch) zijn om waar te nemen.

4. Correlaties:

   • Er werd geen sterke correlatie gevonden tussen de eigenschappen van de CSM-schillen en de algemene supernova-eigenschappen (zoals piekmagnitude of kleur).
   • Er is echter een marginale negatieve correlatie gevonden tussen de snelheid van de CSM-schil en de daltijd van de lichtkromme ($\rho = -0,90$). Dit zou kunnen suggereren dat supernovae met snellere afname snellere CSM-schillen hebben, wat een link legt tussen de late massa-verliesfase en de uiteindelijke explosie, maar dit vereist meer data om te bevestigen.

5. Fysieke Interpretatie:

   • De geschatte massa's van de schillen zijn klein ($10^{-8}$ tot $10^{-5} M_\odot$), wat moeilijk te verenigen is met modellen voor Pulsational Pair-Instability (PPI) die grotere massa's voorspellen, tenzij de ionisatietoestand van het magnesium anders is dan aangenomen.
   • De uitstotingssnelheden en tijdschalen zijn consistent met eruptieve massa-verliesgebeurtenissen (zoals bij LBV-sterren of PPI-pulsen) die plaatsvinden in de maanden voorafgaand aan de explosie.

Significantie

De studie bevestigt dat eruptieve massa-verliesgebeurtenissen kort voor de explosie van SLSNe-I een reëel en waarschijnlijk veelvoorkomend fenomeen zijn, maar niet universeel.

• Progenitor-sterren: De resultaten suggereren dat een subgroep van de progenitorsterren van SLSNe-I een complexe massa-verliesgeschiedenis heeft met gewelddadige uitbarstingen vlak voor het einde van hun leven.
• Mechanisme: Het smalle snelheidsbereik (3000–5000 km/s) wijst op een specifiek uitstotingsmechanisme, mogelijk gerelateerd aan instabiliteiten in de koolstof- en zuurstofbrandende schillen of pulsational pair-instability.
• Toekomst: De studie benadrukt de noodzaak van hoogwaardige UV-spectroscopie om deze schillen te detecteren. Toekomstige surveys zoals LSST zullen de steekproefgrootte vergroten, waardoor statistisch robuuste conclusies over de diversiteit van SLSN-progenitors mogelijk worden.

Kortom, dit werk levert een systematisch bewijs dat SLSNe-I vaak gepaard gaan met recente erupties, maar dat dit kenmerk slechts in een subset van de populatie optreedt, wat nieuwe inzichten biedt in de laatste levensfase van de meest massieve sterren.