ENGRAVE follow-up of a type IIb supernova spatially coincident with the sub-threshold gravitational wave trigger S250818k

Resumo Técnico: Acompanhamento ENGRAVE de uma supernova do tipo IIb espacialmente coincidente com o gatilho de ondas gravitacionais abaixo do limiar S250818k

Declaração do Problema
Durante a quarta campanha de observação (O4) da rede LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), um candidato a onda gravitacional (OG) de baixa significância, S250818k, foi identificado com uma probabilidade de classificação de fusão de estrelas de nêutrons binárias (BNS) de 29% e uma grande região de localização (949 deg² a 90% de credibilidade). O Zwicky Transient Facility (ZTF) descobriu uma transiente óptica, SN 2025ulz, dentro desta região aproximadamente 2,7 horas após o gatilho. A transiente exibiu um decaimento inicial rápido e um espectro sem características, características que inicialmente mimetizavam uma kilonova (KN) ou um cenário de "superkilonova" envolvendo estrelas de nêutrons com massa subsolar. O principal desafio científico foi classificar definitivamente a SN 2025ulz para determinar se era uma contraparte eletromagnética genuína do evento de OG ou uma coincidência acidental, distinguindo-a especificamente da população contaminante de supernovas jovens que podem mimetizar assinaturas de KN.

Metodologia
A Colaboração ENGRAVE (Contrapartes eletromagnéticas de fontes de ondas gravitacionais no Very Large Telescope) conduziu uma extensa campanha observacional multiespectral utilizando o Very Large Telescope (VLT) do ESO e outras instalações.

• Imagens: Imagens ópticas e no Infravermelho Próximo (NIR) foram realizadas usando VLT/FORS2 (bandas R, I, z), VLT/HAWK-I (banda K) e NOT/ALFOSC (banda r). Estas foram complementadas por observações do Telescópio Espacial Hubble (HST) (F336W, F606W, F110W, F160W) para construir templates de referência profundos para subtração da galáxia hospedeira. Imagens de diferença foram executadas usando os pipelines ECSNOoPY e HOTPANTS para isolar o fluxo da transiente.
• Espectroscopia: Acompanhamento espectral foi obtido usando VLT/X-shooter (UVB, VIS, NIR), VLT/FORS2 (grisma 300I) e VLT/MUSE (Unidade de Campo Integral). Os dados do MUSE foram cruciais para resolver espacialmente a transiente de sua galáxia hospedeira, permitindo a extração de espectros limpos através da modelagem e subtração do fundo da hospedeira usando múltiplos métodos de abertura e anel.
• Observações de Rádio: A fonte foi monitorada em comprimentos de onda de rádio usando VLA, MeerKAT, uGMRT e e-MERLIN para procurar assinaturas de afterglow ou restrições sobre a inclinação do jato.
• Análise: Curvas de luz foram construídas e a evolução de cor analisada. A classificação espectral foi realizada usando SNID-SAGE. A modelagem da curva de luz comparou dois cenários: um modelo de kilonova de dois componentes (incluindo resfriamento do casulo) e um modelo de supernova do tipo IIb (resfriamento por choque mais decaimento radioativo). Taxas volumétricas foram calculadas para avaliar a probabilidade de alinhamento acidental.

Principais Resultados

• Classificação Espectroscópica: Espectros iniciais (20 de agosto) foram amplamente sem características. No entanto, espectros do MUSE obtidos em 24 e 28 de agosto revelaram um perfil P-Cygni proeminente e largo de Hα e características de Hβ. A análise SNID-SAGE forneceu uma classificação de alta confiança da SN 2025ulz como uma supernova do tipo IIb (correspondendo especificamente às fases iniciais de SN 2011dh e SN 2016gkg). O redshift da galáxia hospedeira foi refinado para $z = 0,0849 \pm 0,0004$.
• Evolução da Curva de Luz: A transiente exibiu um desvanecimento inicial rápido seguido por um rebrilhamento para um segundo pico em $\sim$15–20 dias. Este comportamento de "cauda de resfriamento por choque" é característico de SNe do tipo IIb com envelopes estendidos, mas não é previsto por modelos padrão de kilonova, que tipicamente mostram um desvanecimento monotônico.
• Restrições de Rádio: Observações de rádio detectaram densidade de fluxo constante consistente com formação estelar na galáxia hospedeira (SFR $\sim 1,3 M_\odot$ yr$^{-1}$), sem evidência de variabilidade ou afterglow transitório. Limites superiores descartaram um afterglow semelhante ao GW170817 dentro de ângulos de visão de $\theta \lesssim 12,5^\circ$.
• Modelagem:
  • Ajuste de Kilonova: Um modelo de KN de dois componentes ajustou apenas os primeiros 4 dias de dados, mas exigiu parâmetros não físicos (por exemplo, massas de ejeção e opacidades inconsistentes com as expectativas de fusão BNS) e falhou em explicar o subsequente rebrilhamento.
  • Ajuste de Supernova: Um modelo de SN do tipo IIb (resfriamento por choque + decaimento radioativo) descreveu com sucesso toda a curva de luz até 60 dias. Os parâmetros derivados incluíram uma massa de ejeção de $2,2 M_\odot$, massa de $^{56}$Ni de $0,14 M_\odot$ e um tempo de explosão aproximadamente 1,6 dias antes do gatilho de OG.
• Galáxia Hospedeira: A hospedeira é uma galáxia com metalicidade moderadamente subsolar ($12 + \log(\text{O/H}) \approx 8,51$) com uma taxa de formação estelar de $1,6 \pm 0,5 M_\odot$ yr$^{-1}$.

Conclusões e Significância
O artigo conclui que a SN 2025ulz é uma supernova do tipo IIb que ocorreu em coincidência temporal e espacial acidental com o candidato de OG de baixa significância S250818k. A classificação é robusta com base em características espectroscópicas, morfologia da curva de luz e restrições de tempo de explosão que são incompatíveis com o gatilho de OG. O cenário de "superkilonova" é fortemente desfavorecido pelos dados e pela navalha de Occam.

Os autores destacam uma implicação significativa para futuras buscas de contrapartes de OG: supernovas do tipo IIb jovens são contaminantes principais em buscas por kilonovas. Aproximadamente 30–50% das SNe do tipo IIb exibem caudas de resfriamento por choque que mimetizam o declínio inicial rápido e os espectros sem características das kilonovas. Os autores estimam uma probabilidade de cerca de 30% de tal intruso aparecer em uma região de localização típica de OG (como S250818k) puramente por acaso. Isso sublinha a necessidade de acompanhamento espectroscópico rápido para distinguir contaminantes de kilonovas genuínas, particularmente na era de levantamentos de alta cadência como o Rubin/LSST, onde tais alinhamentos acidentais se tornarão frequentes. O estudo reforça que as caudas de resfriamento por choque estão entre os contaminantes mais proeminentes em buscas por kilonovas.