Searching for core-collapse supernovae in binaries with ZTF

Technische Samenvatting: Zoeken naar kerninstortingssupernovae in binaire systemen met ZTF

Probleemstelling
Stripped-envelope kerninstortingssupernovae (CC SNe) zijn vaak afkomstig van massieve sterren in binaire systemen. Recente observaties van SN 2022jli onthulden significante periodieke oscillaties in de lichtcurve, toegeschreven aan accretie van een binaire begeleider op een pasgeboren compact object. Hoewel dergelijke periodiciteiten in een enkel aantal heldere, goed geobserveerde transiënten zijn geïdentificeerd (bijv. SN 2022esa, SN 2015ap), blijven de populatiekenmerken van deze binaire interacties slecht begrepen. Bestaande zoekopdrachten zijn vaak beperkt tot individuele, heldere objecten. Er is behoefte aan een systematische, computationeel goedkope methode om grote datasets (zoals die van de Zwicky Transient Facility, ZTF, en de toekomstige LSST) te doorzoeken om te bepalen hoe gebruikelijk deze binaire interacties zijn en om kandidaten voor vervolgonderzoek te identificeren.

Methodologie
De auteurs hebben een zoekpipeline ontwikkeld die ontworpen is voor real-time implementatie binnen het AMPEL-framework. De methodologie bestaat uit drie primaire fasen:

1. Simulatie: Het team simuleerde 10.000 CC SN-lichtcurves met behulp van sncosmo-templates, aangevuld met kenmerken van binaire interactie. Deze kenmerken omvatten periodieke oscillaties (gemodelleerd als sinusgolven of scheve zaagtandgolven) en herophelderingsverschijnselen (gemodelleerd door een functie met een snelle stijging en exponentieel verval). De variërende parameters waren onder meer roodverschuiving, piekhelderheid, oscillatieperiode ($T_{osc}$), amplitude ($A_{osc}$), vertraging vanaf de piek ($\Delta_{osc}$) en herophelderingskenmerken. Simulaties werden uitgevoerd voor ZTF $g$- en $r$-banden met realistische ruis en cadans (inclusclusief willekeurige gaten en weersgerelateerde uitval).
2. Signaalisolatie: Om periodieke signalen te isoleren van de onderliggende supernova-evolutie, pasten de auteurs spline-fits toe op de lichtcurves. Ze testten verschillende spline-stijfheidsparameters ($\lambda$) en starttijden relatief aan de piek ($t_0$). De residuen werden vervolgens geanalyseerd met een gegeneraliseerde Lomb-Scargle periodogram.
3. Herstelcriteria: Een signaal werd als "herstelbaar" beschouwd als de frequentie van de maximale periodogrampiek ($P_{max}$) binnen een specifieke tolerantie ($\pm 0,0021 \text{ d}^{-1}$) viel van de ware oscillatiefrequentie of haar aliassen. De studie evalueerde de prestaties over verschillende observatieduurders ($t_{obs}$), cadansen (2, 3 en 7 dagen) en spline-configuraties.

Belangrijkste bijdragen en resultaten

• Observatieduur en cadans: De studie stelt vast dat de detectiegevoeligheid sterk afhankelijk is van de totale observatieduur.
  • Met een baseline van 200 dagen en een cadans van 3 dagen zijn ongeveer 50% van de gesimuleerde binaire oscillaties herstelbaar.
  • Dit percentage daalt drastisch bij kortere baselines: slechts ~10% is herstelbaar met een observatie van 75 dagen, en slechts enkele procenten met een observatie van 30 dagen.
  • De auteurs concluderen dat ten minste 100 dagen aan observaties noodzakelijk zijn om ruis effectief te verwerpen en een significant deel van de parameterruimte te herstellen.
• Spline-stijfheid ($\lambda$): De keuze van de spline-stijfheid is cruciaal en hangt af van de oscillatieperiode.
  • Een matige stijfheid ($\lambda = 1$) is optimaal voor het herstellen van kortere perioden ($T_{osc} < 50$ dagen).
  • Een stijvere spline ($\lambda = 10$) is vereist voor het herstellen van langere perioden ($T_{osc} > 50$ dagen), maar brengt het risico met zich mee dat kortere-periode signalen worden weggefilterd of dat er te veel onderliggende structuur wordt behouden.
  • De auteurs bevelen het gebruik van beide $\lambda$-waarden aan om de gevoeligheid over het volledige bereik van potentiële binaire perioden te maximaliseren.
• Impact van gaten en cadans: Onregelmatige observatiegaten (veelvoorkomend in echte data) introduceren aliassen en complexe structuren in periodogrammen, wat leidt tot meer fout-positieven. Hoewel een 2-daagse cadans een iets betere gevoeligheid biedt dan een 3-daagse cadans, vermindert een 7-daagse cadans (representatief voor LSST) de gevoeligheid voor korte perioden aanzienlijk.
• Vervolgstrategie: De auteurs laten zien dat intensieve follow-up observaties met een hoge cadans (bijv. een 1-daagse cadans gedurende 30 dagen) na een standaard 75-daagse survey, een ruisonderdruppingsniveau kunnen bereiken dat vergelijkbaar is met een volledige 200-daagse survey, hoewel de gevoeligheid voor langere-periode signalen beperkt blijft door de totale tijdbaseline.
• Toepassing op ZTF-data:
  • De zoekopdracht werd toegepast op 212 matig heldere ZTF CC SNe ($0,03 < z < 0,06$).
  • De methode herstelde succesvol de bekende 12,4-daagse periode van SN 2022jli en de 32-daagse periode van SN 2022esa.
  • De 8,4-daagse periode van SN 2015ap werd niet hersteld, waarschijnlijk door de gevoeligheid van de methode voor ongelijkmatige bemonstering vergeleken met Gaussian process-benaderingen.
  • Onder de 212 kandidaten werden twee objecten (SN 2022pss en SN 2022oeh) geïdentificeerd als veelbelovende kandidaten voor periodieke oscillaties, hoewel beide objecten een uitschieter-piek vertoonden in slechts één band.

Betekenis en claims
Het artikel presenteert een "proof of concept" voor een eenvoudige, computationeel goedkope zoektocht naar periodieke oscillaties in CC SN-lichtcurves. De auteurs claimen bescheiden dat hun methode geschikt is voor het opzetten van real-time zoekopdrachten in huidige en toekomstige surveys zoals ZTF en LSST.

De primaire betekenis ligt in de kwantitatieve bevinding dat een groot deel van de binaire interacties mogelijk is gemist in eerdere surveys vanwege een onvoldoende lange observatieduur (typisch <30-75 dagen). De auteurs suggereren dat veel SNe met binaire begeleiders simpelweg de benodigde baseline missen om periodiciteit te onthullen. Zij stellen voor dat hun zoekmethode moet dienen als een filter om kandidaten te identificeren voor diepgaand, gericht vervolgonderzoek (bijv. spectroscopie om verschuivingen in de lijn-snelheid te detecteren), in plaats van als een definitief detectie-instrument op zich. Het werk benadrukt de afruil tussen observatieduur, cadans en spline-parameters, en biedt een kader voor het optimaliseren van toekomstige zoekopdrachten om de populatie van binaire-interagerende supernovae te karakteriseren.