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

Technische Samenvatting: Fotometrische en Spectroscopische Studies van Type Ic Supernovae SN 2020akf en SN 2021mxx

Probleem en Context
Gestripte enveloppe kerninstortende supernovae (SE-SNe), specifiek Type Ib en Ic, vertegenwoordigen de explosieve dood van massieve sterren die hun waterstof- en heliumenveloppen hebben verloren. Terwijl Type Ic supernovae worden gekenmerkt door de afwezigheid van waterstof- en heliumlijnen in hun spectra, vertonen zij een aanzienlijke diversiteit in lichtcurvevormen, luminositeiten en spectrale kenmerken. Deze diversiteit varieert van "normale" Type Ic-gebeurtenissen tot "breed-gelijnde" Type Ic (Ic-BL) supernovae, die vaak geassocieerd worden met gammastralingsbursts en extreem hoge kinetische energieën bezitten. Een subset van gebeurtenissen, soms aangeduid als "transitioneel", vertoont eigenschappen die tussen de normale en breed-gelijnde klassen in liggen. Begrip van de explosiemechanismen, progenitor-systemen en omgevingsinvloeden van deze diverse gebeurtenissen vereist gedetailleerde, object-specifieke analyses. Dit artikel behandelt de noodzaak voor een uitgebreide karakterisering van twee dergelijke gebeurtenissen, SN 2020akf en SN 2021mxx, die aanvankelijk verkeerd waren geclassificeerd als Type Ia voordat ze werden geheridentificeerd als Type Ic.

Methodologie
De auteurs voerden een multi-wavelength analyse uit waarbij optische fotometrie werd gecombineerd met medium-resolutie spectroscopie voor SN 2020akf en SN 2021mxx.

• Observaties: Optische beeldvorming in $UBVRI$-banden werd uitgevoerd met de Himalaya Faint Object Spectrograph Camera (HFOSC) op de 2-meter Himalayan Chandra Telescope (HCT). Aanvullende fotometrische gegevens werden geïntegreerd van de Zwicky Transient Facility (ZTF) en het Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS). De spectrale dekking besloeg $\sim-5$ tot $+57$ dagen voor SN 2020akf en $\sim-3$ tot $+113$ dagen voor SN 2021mxx relatief aan de $B$-band maximum.
• Data Reductie: Standaard reductietechnieken (bias subtractie, flat-fielding) werden toegepast met behulp van IRAF. Host galaxy subtractie werd uitgevoerd met behulp van template-afbeeldingen om de supernova-flux te isoleren. Roodingscorrecties werden toegepast met behulp van Galactische stofkaarten en vergelijkingen met kleur-templates van het Carnegie Supernova Project.
• Lichtcurve Analyse: Quasi-bolometrische lichtcurves werden geconstrueerd met de SuperBol code, waarbij multi-band gegevens werden geïnterpoleerd en extinctie werd gecorrigeerd. De evolutie van de fotosferische temperatuur en radius werd afgeleid uit deze curves.
• Spectrale Analyse: De spectrale evolutie werd geanalyseerd door prominente absorptie- en emissiekenmerken te identificeren (bijv. Fe II, Si II, Ca II, C II, O I). Fotosferische expansiesnelheden werden geschat door Gaussian profielen te fitten aan de absorptiedips van Fe II $\lambda$5169, Si II $\lambda$6355 en Ca II NIR triplet lijnen.
• Modellering:
  • Arnett-Valenti Model: Een semi-analytisch stralingsdiffusiemodel werd ingezet om explosieparameters te schatten, inclus\u0024 bij Synthetiseerde $^{56}$Ni massa ($M_{\text{Ni}}$), ejecta massa ($M_{\text{ej}}$), en kinetische energie ($E_k$). Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methoden werden gebruikt om de quasi-bolometrische lichtcurves te fitten.
  • TARDIS: Een een-dimensionale radiatieve transfer code werd gebruikt om de spectrale evolutie te modelleren, waarbij dichtheidsprofielen en elementaire abundanties werden afgeleid.
  • MOSFiT: De Modular Open-Source Fitter for Transients werd gebruikt voor multi-kleur lichtcurve modellering om de explosieparameters te kruis-valideren.
• Progenitor en Omgeving: Host galaxy metalliciteiten werden geschat met behulp van emissielijnratio's (N2 en O3N2 indices) van SDSS en aangepaste spectroscopie. Progenitor massa's werden afgeleid uit nebulaire-fase [O I]/[Ca II] lijnratio's en vergelijkingen met theoretische nebulaire modellen.

Belangrijkste Resultaten

• Fotometrische Eigenschappen:

  • SN 2020akf: Vertoont een brede lichtcurve met een stijgtijd van $\sim16$ dagen in de $B$-band. Pieke absolute magnitude is $M_V = -17.85 \pm 0.15$ mag, met een piek quasi-bolometrische luminositeit van $\log L_{\text{bol}} = 42.37 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$.
  • SN 2021mxx: Vertoont een smallere lichtcurve met een snellere stijging ($\sim10.4$ dagen) en daling. Pieke absolute magnitude is $M_V = -17.60 \pm 0.15$ mag, met een piek quasi-bolometrische luminositeit van $\log L_{\text{bol}} = 42.21 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$.
  • Beide gebeurtenissen zijn helderder dan typische normale Type Ic SNe (bijv. SN 2007gr) maar minder helder dan Ic-BL gebeurtenissen (bijv. SN 1998bw).

• Spectrale Evolutie:

  • Beide SNe vertonen blauwe continua met prominente Fe II, Ca II, en Mg II kenmerken. SN 2020akf vertoont sterke C II lijnen in de pre-maximum fase, die snel vervagen.
  • Fotosferische snelheden bij maximum licht zijn $\sim15,000$ km s$^{-1}$ voor SN 2020akf en $\sim10,000$ km s$^{-1}$ voor SN 2021mxx (afgeleid van Fe II $\lambda$5169). Deze waarden zijn consistent met normale tot transitionele Type Ic SNe en zijn aanzienlijk lager dan Ic-BL gebeurtenissen.
  • De nebulaire spectra van SN 2021mxx (bij 102 en 113 dagen) worden gedomineerd door [O I] $\lambda\lambda$6300, 6363 en [Ca II] $\lambda\lambda$7291, 7324 emissie. De [O I]/[Ca II] fluxratio is $\sim0.96$.

• Explosieparameters:

  • SN 2020akf: Gemodelleerd met $M_{\text{Ni}} \approx 0.12 \pm 0.01 M_\odot$, $M_{\text{ej}} \approx 4.71^{+0.50}_{-0.46} M_\odot$, en $E_k \approx 6.33^{+0.68}_{-0.62} \times 10^{51}$ erg. De ratio $E_k/M_{\text{ej}} \approx 0.134$ is vergelijkbaar met transitionele gebeurtenissen zoals SN 2004aw.
  • SN 2021mxx: Gemodelleerd met $M_{\text{Ni}} \approx 0.05 \pm 0.01 M_\odot$, $M_{\text{ej}} \approx 0.90^{+0.14}_{-0.18} M_\odot$, en $E_k \approx 0.54^{+0.08}_{-0.12} \times 10^{51}$ erg. Deze gebeurtenis heeft een extreem lage $M_{\text{ej}}$ en $E_k$, met een $E_k/M_{\text{ej}}$ ratio van $\sim0.06$, typerend voor normale Type Ic SNe.
  • MOSFiT modellering levert consistente resultaten binnen $3\sigma$ onzekerheden, met schattingen van $M_{\text{Ni}} \approx 0.20 M_\odot$ en $M_{\text{ej}} \approx 3.16 M_\odot$ voor SN 2020akf, en $M_{\text{Ni}} \approx 0.09 M_\odot$ en $M_{\text{ej}} \approx 1.53 M_\odot$ voor SN 2021mxx.

• Progenitor en Omgeving:

  • De metalliciteiten van de host galaxies zijn nabij-solar: $\sim0.81 Z_\odot$ voor SN 2020akf (KUG 0925+387B) en $\sim0.76 Z_\odot$ voor SN 2021mxx (UGC 11380).
  • Voor SN 2021mxx suggereert de nebulaire [O I]/[Ca II] ratio en de zuurstofmassa schatting ($\sim0.92 M_\odot$) een progenitor Zero-Age Main Sequence (ZAMS) massa in de range van $13\text{--}18 M_\odot$. De lage $[O I]/[Ca II]$ ratio suggereert een binaire progenitor systeem.

Betekenis en Conclusies
Het artikel classificeert SN 2020akf als een transitionele Type Ic supernova, die spectrale en fotometrische eigenschappen bezit die tussen normale Type Ic en breed-gelijnde Type Ic (Ic-BL) gebeurtenissen in liggen, vergelijkbaar met SN 2004aw. De hogere ejecta massa en kinetische energie onderscheiden het van typische normale Type Ic SNe.

Omgekeerd wordt SN 2021mxx geïdentificeerd als een normale Type Ic supernova die wordt gekenmerkt door een extreem lage ejecta massa ($\sim0.9 M_\odot$) en kinetische energie. De parameters plaatsen het stevig binnen de distributie van goed bestudeerde normale Type Ic SNe, hoewel de lage massawaarden de diversiteit binnen deze subklasse benadrukken. De analyse van de nebulaire fase van SN 2021mxx ondersteunt een progenitor scenario bestaande uit een lagere-massa ster ($13\text{--}18 M_\odot$) die waarschijnlijk is gestript via binaire interactie.

De studie bevestigt het nut van het combineren van fotometrische modellering (Arnett-Valenti, MOSFiT) met spectrale analyse (TARDIS, nebulaire lijnratio's) om explosiefysica en progenitor-eigenschappen te beperken. De resultaten dragen bij aan de groeiende census van SE-SNe, waarbij ze helpen de grenzen te definiëren tussen normale, transitionele en breed-gelijnde Type Ic gebeurtenissen en hun respectieve progenitor-kanalen.