Distance estimate to NGC 6951 from supernova siblings Type IIP SN 2020dpw and Type Ib SN 2021sjt

Título: Estimativa de Distância para NGC 6951 a partir de Supernovas Irmãs: SN 2020dpw (Tipo IIP) e SN 2021sjt (Tipo Ib)

1. O Problema e o Contexto

As supernovas (SNe) que explodem na mesma galáxia hospedeira, conhecidas como "irmãs" (siblings), oferecem uma oportunidade única para refinar as medições de distâncias extragalácticas e reduzir as incertezas sistemáticas associadas a esses métodos. Embora estudos anteriores tenham focado principalmente em pares de Tipo Ia, há uma necessidade de validar e calibrar métodos de distância para outros tipos de supernovas, como as de Tipo II e as de envelope despojado (Ib/Ic).

O objetivo deste trabalho foi determinar a distância à galáxia NGC 6951, que hospedou múltiplas supernovas ao longo das últimas décadas, incluindo as recentes SN 2020dpw (Tipo IIP) e SN 2021sjt (Tipo Ib). O estudo visa não apenas obter uma nova estimativa de distância para a galáxia, mas também testar a aplicabilidade do Método da Fotosfera em Expansão (EPM) em supernovas Tipo Ib, um tipo de objeto onde essa técnica é menos comum do que em Tipo IIP.

2. Metodologia

Os autores aplicaram o Método da Fotosfera em Expansão (EPM), uma técnica geométrica que relaciona o raio angular observado da supernova ($\theta$) com seu raio físico (derivado da velocidade da fotosfera, $v_{ph}$). A relação fundamental é dada por $D = R_{ph} / \theta$, onde a distância $D$ é inferida através de um ajuste linear de $t$ versus $\theta/v_{ph}$.

O processo metodológico envolveu os seguintes passos:

• Observações e Redução de Dados:

  • Fotometria: Dados fotométricos (filtros BVgri e BVgriz) foram obtidos através de telescópios de 80 cm (RC80 e BRC80) na Hungria e da rede Las Cumbres Observatory (LCO). As curvas de luz foram calibradas usando estrelas de referência do Pan-STARRS1.
  • Espectroscopia: Espectros foram obtidos do banco de dados WiseRep (para SN 2020dpw) e do LCO (para SN 2021sjt). Os dados foram corrigidos para desvio para o vermelho (redshift) e extinção interestelar ($E(B-V)_{tot} = 0.38$).

• Determinação do Raio Angular ($\theta$):

  • As magnitudes foram convertidas em fluxos e integradas para obter o fluxo pseudo-bolométrico ($F_{bol}$).
  • A temperatura da fotosfera ($T_{ph}$) foi estimada ajustando curvas de corpo negro aos espectros de energia (SEDs).
  • O raio angular foi calculado usando a fórmula $\theta = \sqrt{F_{bol} / (\xi^2 \sigma T^4)}$, onde $\xi$ é o fator de diluição. Este fator corrige a diluição da radiação de corpo negro devido ao espalhamento de elétrons.
  • Para a SN 2020dpw (IIP), utilizaram-se fatores de correção de Dessart & Hillier (2005). Para a SN 2021sjt (Ib), utilizaram-se fatores de Dessart et al. (2015).

• Estimativa da Velocidade da Fotosfera ($v_{ph}$):

  • A velocidade foi determinada através da modelagem espectral utilizando o código SYN++.
  • Para a SN 2020dpw, apenas um espectro (fase +21 dias) foi de qualidade suficiente para modelagem direta. Para a SN 2021sjt, cinco espectros (fases de +4 a +19 dias) foram modelados.
  • Para preencher as lacunas temporais entre as observações fotométricas e espectrais, foram aplicadas fórmulas empíricas de evolução de velocidade. Para a SN 2020dpw, usou-se a relação de Takáts & Vinkó (2012) para Tipo IIP. Para a SN 2021sjt, os autores desenvolveram uma nova curva de velocidade empírica adaptada para Tipo Ib, já que a evolução dessas supernovas é mais rápida.

• Cálculo da Distância:

  • A data da explosão ($t_0$) foi fixada entre a última não-detecção e a primeira detecção para reduzir o número de parâmetros livres.
  • A distância foi obtida ajustando a equação linear $t = D \cdot (\theta/v_{ph}) + t_0$.

3. Contribuições Chave

• Validação do EPM para Tipo Ib: O trabalho demonstra pela primeira vez a aplicação bem-sucedida do EPM para uma supernova Tipo Ib (SN 2021sjt), ajustando a metodologia para lidar com a evolução mais rápida dessas estrelas.
• Calibração de Fatores de Diluição: O estudo compara diferentes fatores de diluição ($\xi$) e suas implicações sistemáticas, reforçando a necessidade de modelos específicos para cada tipo espectral.
• Análise de Erros Sistemáticos: Uma análise rigorosa das fontes de erro sistemático foi realizada, focando na escolha do fator de diluição, na data de explosão fixa e na extinção interestelar.
• Concordância de Irmãs: A consistência entre as distâncias derivadas de dois tipos de supernovas diferentes (IIP e Ib) na mesma galáxia valida a robustez do método EPM quando aplicado corretamente.

4. Resultados Principais

As estimativas de distância obtidas para a galáxia NGC 6951 são:

• SN 2020dpw (Tipo IIP):
  • Distância: 25,76 ± 0,34 (aleatório) ± 5,51 (sistemático) Mpc.
• SN 21sjt (Tipo Ib):
  • Distância: 24,57 ± 1,27 (aleatório) ± 4,67 (sistemático) Mpc.

Análise de Incertezas:
As incertezas sistemáticas dominantes provêm de:

1. Fator de Diluição ($\xi$): A escolha de diferentes coeficientes para $\xi$ causou variações de até ~3,5 Mpc para a SN 2020dpw e ~1,34 Mpc para a SN 2021sjt.
2. Data de Explosão ($t_0$): Variações de ±1 dia na data fixa introduziram erros de ~0,58 Mpc (IIP) e ~1,9 Mpc (Ib).
3. Extinção ($E(B-V)$): A incerteza na extinção da galáxia hospedeira contribuiu com ~1,43 Mpc para a incerteza total.

Os valores finais são consistentes entre si (dentro das barras de erro) e concordam com estimativas anteriores da literatura para NGC 6951 (que variavam entre ~23 e ~33 Mpc dependendo do método e da supernova usada).

5. Significância

Este estudo confirma que o Método da Fotosfera em Expansão é uma ferramenta poderosa e versátil para medir distâncias absolutas a galáxias, não se limitando apenas às supernovas Tipo IIP. Ao aplicar o método a uma supernova Tipo Ib, os autores expandem o catálogo de objetos calibráveis, o que é crucial para:

• Refinar a escala de distâncias extragalácticas.
• Melhorar a precisão da constante de Hubble ($H_0$) ao reduzir incertezas sistemáticas em galáxias com múltiplas supernovas.
• Fornecer uma base para futuros estudos que visem calibrar técnicas de distância em galáxias que hospedam pares de supernovas de tipos diferentes.

A concordância entre as distâncias derivadas de dois tipos distintos de supernovas na mesma galáxia reforça a validade dos modelos físicos subjacentes ao EPM e destaca a importância de observações frequentes para determinar com precisão a data de explosão.