SN2023ixf: Radiative-transfer modeling of the photospheric phase evolution from the ultraviolet to the infrared

Probleemstelling

Supernova 2023ixf is een nabije Type II-supernova (SN) die vroeg tekenen vertoonde van interactie met omringend materiaal (circumstellaire materie, CSM). Hoewel er uitgebreide waarnemingen beschikbaar zijn van röntgenstraling tot radio, ontbrak er tot nu toe een coherente, niet-thermisch evenwicht (non-LTE) radiatie-transportmodellering die de volledige fotosferische fase (ongeveer 20 tot 120 dagen na de explosie) bestrijkt, van het ultraviolette (UV) tot het infrarode (IR) spectrum.

Er bestaat een grote onzekerheid over de eigenschappen van de progenitorster (een rood superreus of RSG) en de explosieparameters. Bestaande studies tonen grote discrepanties in de geschatte ejecta-massa en de explosie-energie, afhankelijk van de gebruikte methoden (bijv. LTE vs. non-LTE, grijze vs. multigroep benaderingen). Een specifiek probleem is het verklaren van de kortere dan standaard duur van de fotosferische fase, de aanhoudende UV-flux, de specifieke lijnprofielen (vooral H$\alpha$), en de IR-flux, die allemaal wijzen op een complexe interactie met CSM en de aanwezigheid van een koude, dichte schil (CDS).

Methodologie

De auteurs hebben gebruikgemaakt van de CMFGEN-code voor niet-LTE, tijdsafhankelijke radiatie-transportberekeningen.

1. Progenitor en Explosiemodel:

   • Het uitgangspunt is een aangepast model van een 15 $M_\odot$ RSG-progenitor (model x6p0), ontwikkeld door Hillier & Dessart (2019).
   • De progenitor onderging een verhoogde massa-verlies tijdens de RSG-fase, wat resulteerde in een ejecta-massa van 7–8 $M_\odot$, een kinetische energie van $1.2 \times 10^{51}$ erg en een $^{56}$Ni-massa van 0.05 $M_\odot$.
   • De chemische samenstelling van het oorspronkelijke model werd herschreven naar die van het model s15.2 van Sukhbold et al. (2016) voor een robuustere structuur.
   • Twee soorten menging werden getest: standaard "boxcar"-menging en een "shuffled-shell" structuur (macroscopische menging zonder microscopische menging) voor latere tijdstippen.

2. Interactie met CSM:

   • Een koude, dichte schil (CDS) werd geïntroduceerd op een snelheid van 8000 km/s, gevormd door de opgeveegde CSM.
   • Een tijdsafhankelijke interactie-energiebron ($\dot{E}_{sh}$) werd ingebracht binnen de CDS om de waargenomen lichtkrommen en spectra te verklaren.
   • De invloed van klontigheid (clumping) in de CDS werd onderzocht door de volumevullingsfactor ($f_{vol}$) te variëren van 1% (sterk geklonterd) tot 100% (glad).

3. 2D Asymmetrie:

   • Exploratieve 2D-berekeningen werden uitgevoerd met behulp van LONG_POL gekoppeld aan CMFGEN. Hierbij werden axiaal-symmetrische configuraties getest waarbij de interactie en de CDS alleen aanwezig waren in bepaalde hoeksectoren, om de invloed van asymmetrie op lijnprofielen te bestuderen.

4. Observaties:

   • Het model werd vergeleken met flux-gekalibreerde spectra en fotometrie van UV (HST), optisch, NIR en MIR (JWST) waarnemingen tussen 20 en 115 dagen na de eerste lichtflits.

Belangrijkste Bijdragen

• Eerste volledige non-LTE modellering: Dit is de eerste studie die de fotosferische fase van SN 2023ixf modelleert van UV tot IR met tijdsafhankelijke non-LTE radiatie-transport, inclusief interactie-energie.
• Validatie van de progenitor: Het bevestigt dat SN 2023ixf voortkwam uit een gedeeltelijk ontblote RSG-progenitor (ongeveer 15 $M_\odot$ op het hoofdreeks, maar met een lagere ejecta-massa door verhoogd massa-verlies).
• Rol van de CDS en interactie: Het demonstreert dat een continue interactie met CSM noodzakelijk is om de waargenomen eigenschappen te verklaren, en dat de CDS een cruciale rol speelt in de vorming van spectraallijnen.
• Analyse van lijnprofielen: Het biedt een fysieke verklaring voor de complexe "kinks" (knikken) en dubbele absorpties in lijnprofielen, die eerder vaak verkeerd werden geïnterpreteerd als materiaal op zeer hoge snelheden.

Resultaten

1. Spectrale Evolutie en Interactie:

   • Zonder interactie (referentiemodel) wordt de UV-flux sterk onderschat en worden de lijnprofielen (zoals H$\alpha$) niet correct gereproduceerd (te sterke absorptie, te weinig emissie).
   • Met interactie-energie (ranging van $\sim 2 \times 10^{42}$ erg/s vroeg tot $\sim 5 \times 10^{40}$ erg/s later) wordt de UV- en optische flux verhoogd en worden de lijnprofielen beter gemodelleerd. De interactie onderdrukt recombinatie, wat de metalen-blanketing vermindert en de emissie versterkt.
   • De CDS is verantwoordelijk voor een extra emissiecomponent die de absorptie-trog van P-Cygni lijnen opvult.

2. IR en Free-Free Emissie:

   • De interactie verhoogt de temperatuur en ionisatie in de CDS, wat leidt tot een toename van de vrije-vrije (free-free) emissie in het infrarood.
   • Hoewel interactie nodig is om de IR-flux te verklaren, overtreft het model met hoge interactie-energie soms de waargenomen IR-flux, wat suggereert dat de structuur van de CDS complexer is dan aangenomen (bijv. variabele klontigheid).

3. Lijnprofielen en "Kinks":

   • De studie identificeert dat dubbele absorpties (kinks) in lijnen zoals H$\alpha$, Na I D en Pa$\gamma$ een natuurlijk gevolg zijn van de aanwezigheid van een CDS. De buitenste absorptie komt van de CDS (op $\sim 8000$ km/s) en de binnenste van de fotosfeer.
   • Deze dubbele absorpties zijn vooral zichtbaar in het NIR omdat de continuüm-photosfeer daar groter is.
   • Er is geen bewijs voor materiaal dat sneller beweegt dan de CDS ($>8000$ km/s) tijdens de fotosferische fase. Schijnbare snelle absorpties worden veroorzaakt door overlapping met andere lijnen (bijv. Si II in H$\alpha$).

4. Invloed van Asymmetrie:

   • 2D-simulaties tonen aan dat asymmetrie (bijv. een "gat" in de CSM of een niet-sferische CDS) leidt tot een grote diversiteit in lijnprofielen.
   • Afhankelijk van het kijkhoek kunnen absorptie-troggen een platte bodem hebben, interne knikken vertonen, of een hoge-snelheids-knol tonen. Dit verklaart waarom sommige profielen geen duidelijke CDS-kenmerken tonen, terwijl andere dat wel doen.

5. Klontigheid (Clumping):

   • De resultaten zijn gevoelig voor de klontigheid in de CDS. Een lagere volumevullingsfactor (meer klonten) verlaagt de temperatuur en ionisatie, wat de metalen-blanketing verhoogt. Een gladde CDS (100% vulling) leidt tot een onrealistische toename van de UV-flux en een afname van de optische blanketing.

Significantie

Deze studie biedt een fundamenteel inzicht in de fysica van Type II-supernova's met CSM-interactie.

• Het lost de schijnbare tegenstrijdigheden op tussen eerdere lichtkromme-modelleringen en spectroscopische waarnemingen door te tonen dat interactie-energie essentieel is voor het verklaren van de UV- en IR-flux.
• Het waarschuwt voor de valkuil van het interpreteren van P-Cygni absorptie-troggen als bewijs voor zeer snelle ejecta of asymmetrie zonder rekening te houden met de invloed van een CDS en lijn-overlapping.
• Het benadrukt de complexiteit van het modelleren van SN's: een enkelvoudig sferisch model is vaak ontoereikend, en asymmetrie en klontigheid spelen een cruciale rol in de waargenomen spectra.
• De resultaten vormen een solide basis voor toekomstige studies naar de nevelfase en de vroege SN IIn-fase van SN 2023ixf.