Electron-capture Supernova Candidates from Light Curves: Implications for Their Progenitors and Explosion Properties

Technische Samenvatting: Kandidaten voor Elektronenopvang-supernovae op basis van lichtcurves

Probleem en Motivatie
Kerninstortingssupernovae (CCSNe) worden over het algemeen gecategoriseerd als ijzerkern-instortingssupernovae (FeCCSNe) en elektronenopvang-supernovae (ECSNe). Het wordt theoretisch aangenomen dat ECSNe voortkomen uit super-asymptotische reuzengitstertjes (super-AGB sterren) met zuurstof-neon-magnesium (ONeMg) kernen die instorten door elektronenopvang door Mg en Ne. Hoewel simulaties op basis van eerste beginselen succesvolle explosies voorspellen met lage energieën ($\sim 10^{50}$ erg) en lage $^{56}$Ni-opbrengsten, is observationele bevestiging tot nu toe uitbleven. Naast de historische SN 1054 (Krabnevel) en de recente kandidaat SN 2018zd zijn zekere ECSN-detecties schaars. Een primaire uitdaging is het onderscheiden van ECSNe van laag-massa FeCCSNe, die vergelijkbare waterstofrijke Type II lichtcurve-morfologieën delen. Eerdere studies die gebruikmaakten van de Zwicky Transient Facility (ZTF) Census of the Local Universe vonden geen nieuwe zekere kandidaten met behulp van kleur-gebaseerde diagnostiek, wat een bredere, systematische zoektocht motiveert om de voorkomingskans, progenitor-eigenschappen en explosiefysica van ECSNe te beperken.

Methodologie
De auteurs voerden een systematische zoektocht uit naar ECSN-kandidaten onder Type II-supernovae (SNe II) uit twee bronnen: een literatuurcompilatie van 36 goed geobserveerde SNe II en een publieke ZTF-survey-steekproef van 62 SNe II, wat in totaal 98 objecten oplevert.

1. Selectiecriteria: De studie maakte gebruik van een kleur-gebaseerde diagnostiek voorgesteld door Sato et al. (2024). Deze methode gebruikt de kleurindex ($g-r$ of $B-V$) gemeten op de helft van de plateau-duur ($t_{PT}/2$). Theoretische modellen geven aan dat ECSNe systematisch blauwere plateaus vertonen dan FeCCSNe vanwege de lage-dichtheid, uitgebreide enveloppen van super-AGB-progenitors. Kandidaten die voldoen aan specifieke lineaire grenzen in het kleur-$t_{PT}$-vlak werden geselecteerd.
2. Classificatie:
   • Gouden kandidaten: Objecten die voldoen aan de kleurcriteria en spectra bezitten rond $t_{PT}/2$ die geen smalle emissielijnen vertonen, waardoor sterke interactie met het circumstellaire medium (CSM) (wat een SN kunstmatig blauwer kan maken) wordt uitgesloten.
   • Zilveren kandidaten: Objecten die voldoen aan de kleurcriteria maar geen spectra rond $t_{PT}/2$ hebben, waardoor de mogelijkheid van contaminatie door CSM-interactie open blijft staan.
3. Modellering: De auteurs vergeleken geobserveerde meerkleurige lichtcurves met stralings-hydrodynamische modellen gegenereerd met de STELLA-code. De modellen maakten gebruik van super-AGB progenitor-structuren met ONeMg-kernen, waarbij parameters zoals enveloppemassa ($M_{env}$), explosie-energie ($E_{exp}$), massaverliespercentage ($\dot{M}$) en CSM-dichtheidsprofielen werden gevarieerd. Het fittingproces omvatte een twee-stappenbenadering: een brede zoektocht in de parameterruimte gevolgd door een lokale verfijning, waarbij de staartfase werd uitgesloten van $\chi^2$-berekeningen om de focus op plateau-eigenschappen te houden terwijl de $^{56}$Ni-massa werd aangepast op basis van de staartluminositeit.

Belangrijkste Resultaten

• Identificatie van kandidaten: De studie identificeerde tien kandidaten. Drie werden geclassificeerd als goud (ASASSN-14ha, SN 2018zd, SN 2023axu) en zeven als zilver (SNe 2019amt, 2019lkx, 2019nzy, 2019pkh, 2021cwe, 2021hse, 2022mxv).
• Explosie-eigenschappen:
  • Gouden kandidaten: De afgeleide explosie-energieën variëren van $(0.4 - 1.7) \times 10^{50}$ erg, consistent met de voorspellingen op basis van eerste beginselen. De afgeleide massaverliespercentages zijn $3 \times 10^{-3} - 3 \times 10^{-2} M_{\odot} \text{jaar}^{-1}$, aanzienlijk hoger dan de percentages voorspeld voor de vroege super-AGB fase, wat wijst op verhoogd massaverlies in de laatste $\sim 10-20$ jaar voor de explosie.
  • Zilveren kandidaten: Inclusie van deze kandidaten breidt het energiebereik uit naar $(0.4 - 2.7) \times 10^{50}$ erg. Sommige zilveren kandidaten vertonen echter heldere staarten en lichtcurve-kenmerken die duiden op potentiële CSM-interactie of alternatieve energiebronnen (bijv. pulsar spin-down), wat onzekerheid introduceert in hun classificatie.
• Voorkomingspercentages:
  • Gebruikmakend van de robuuste gouden kandidaten uit de literatuursteekproef, wordt de ECSN-voorkomingsratio onder SNe II geschat op $3.0^{+10.6}_{-2.9}\%$ (geïnterpreteerd als een ondergrens).
  • Gebruikmakend van de zilveren kandidaten uit de ZTF-steekproef, wordt de ratio geschat op $15.7^{+17.3}_{-12.7}\%$ (geïnterpreteerd als een bovengrens).
  • Deze ratio's vertalen zich naar een ECSN-voorkoming onder alle CCSNe van $1.8 - 9.2\%$ en een volumetrische snelheid van $(1.2 - 6.1) \times 10^3 \text{Gpc}^{-3} \text{jaar}^{-1}$.
• Progenitor-beperkingen: De afgeleide voorkomingspercentages impliceren een initiële massavenster voor ECSN-progenitors van $0.1 \lesssim \Delta M_{ECSN} \lesssim 0.7 M_{\odot}$ (ervan uitgaande dat een Salpeter IMF en een ECSN/FeCCSN-grens van $8-10 M_{\odot}$ gelden). Het gebrek aan progenitors met zeer massieve of zeer laag-massa enveloppen in de steekproef suggereert dat uitgebreid massaverlies een cruciale factor is in de laatste evolutionaire fase.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert de eerste robuuste, systematische beperkingen te bieden voor de ECSN-populatie met behulp van een grote steekproef van SNe II. Door fotometrische diagnostiek te combineren met stralings-hydrodynamische modellering, leiden de auteurs explosie-energieën en progenitor-massaverliespercentages af die overeenkomen met de theoretische verwachtingen voor laag-energetische explosies van super-AGB sterren. De afgeleide voorkomingspercentages suggereren dat ECSNe een niet-verwaarloosbaar deel van de kerninstortingsgebeurtenissen vormen.

De auteurs nemen echter een bescheiden standpunt in met betrekking tot de definitieve identificatie van de zilveren kandidaten. Zij stellen expliciet dat zonder spectrografische opvolging rond het midden van het plateau, het onmogelijk is om contaminatie door SNe II met sterke CSM-interactie uit te sluiten, die de blauwe kleuren van ECSNe kunnen nabootsen. Bijgevolg worden de afgeleide voorkomingspercentages en progenitor-massavensters gepresenteerd als respectievelijk onder- en bovengrenzen in plaats van precieze waarden. De studie concludeert dat spectrografische opvolging van kandidaten rond $t_{PT}/2$ essentieel is om ECSNe robuust te identificeren en deze statistische beperkingen te verfijnen.