The nearby He-rich superluminous supernova SN 2021bnw during photospheric phases

技术摘要：近邻富氦超亮超新星 SN 2021bnw 在光球相期间的研究

问题与背景
超亮超新星（SLSNe）对经典的中微子驱动核心塌缩范式提出了挑战，因为合成足以驱动其极端光度的所需质量的 $^{56}$Ni 是非常困难的。虽然可行的解释包括新生磁星的自转减速辐射以及抛射物与星周物质（CSM）的相互作用，但 SLSNe I 的主导能量来源仍然不明。具体而言，由于样本量较小，富氦超亮超新星（SLSNe Ib）的性质仍缺乏约束。目前尚不清楚氦线探测是否与特定的光变曲线（LC）特征（如再增亮）或与 CSM 相互作用相关联。SN 2021bnw 是一颗缺氢但富氦的 SLSN Ib，它为扩大该样本并约束原星质量及驱动机制提供了机会。

研究方法
作者对 SN 2021bnw 进行了广泛的光谱-光度随访观测，该超新星由 Zwicky Transient Facility (ZTF) 发现并由 ePESSTO+ 进行分类。

• 观测： 使用多个设施（ZTF, ATLAS, LCO, NOTCam, SOFI 等）获取了从光学到近红外（NIR）的光度数据，并收集了从极大期到晚期（极大期后达 97 天）的光学/近红外光谱。
• 数据归约： 图像数据使用专用流水线或 ecsnoopy 进行归约。光谱使用标准 IRAF 程序或专用流水线进行归约。
• 分析技术：
  • 光变曲线： 通过多项式拟合确定最大亮度时期。通过积分基于多色光度得出的光谱能量分布（SEDs），构建了伪玻洛米特光变曲线。
  • 光谱识别： 对 NIR 光谱（极大期后 87 天）进行了分析以识别氦特征。作者利用蒙特卡洛辐射传输代码 TARDIS 生成合成光谱，将谱线识别（特别是 He I $\lambda$1.083 $\mu$m 和 $\lambda$2.058 $\mu$m）与观测数据进行对比测试。
  • 物理建模： 为了约束爆炸参数，作者使用了耦合了流体动力学与辐射传输的 STELLA 代码。他们测试了 $^{56}$Ni + CSM 相互作用的情景，并将模型输出与观测到的玻洛米特光变曲线进行对比。
• 关键结果：
• 光度： SN 2021bnw 的绝对峰值星等达到 $M_g = -20.70 \pm 0.10$ mag。其光变曲线表现出楔形上升和下降，随后是持续约 80 天的线性下降阶段。值得注意的是，在光学波段检测到了两次偏差（再增亮）：第一个峰值出现在约 35 天，第二个出现在 70–80 天左右。伪玻洛米特下降率（~0.016 mag d$^{-1}$）比假设全 $\gamma$ 射线俘获的 $^{56}$Co 衰变斜率更快。
• 光谱： 早期光谱显示出高温（~14,000–17,000 K）以及 O II 和 Ca II 特征。极大期后 87 天采集的 NIR 光谱显示出明显的吸收特征。TARDIS 建模证实了氦的存在，估计氦质量约为 $\sim$0.10–0.15 $M_\odot$。尽管由于高膨胀速度导致特征发生混叠，但 He I $\lambda$1.083 $\mu$m 和 $\lambda$2.058 $\mu$m 的识别得到了合成光谱的支持。
• 物理参数： 对 $^{56}$Ni + CSM 情景的 STELLA 建模收敛于：抛射物质量 $\approx$ 15–20 $M_\odot$，CSM 质量 $\approx$ 7 $M_\odot$，爆炸能量 $\approx$ 5 $\times$ 10$^{51}$ erg，以及 $^{56}$Ni 质量 $\approx$ 1.7 $M_\odot$。
• 比较： SN 2021bnw 在光变曲线形状和光谱演化方面与 SN 2017egm 具有显著的相似性。然而，它偏离了在其他 SLSNe 中观察到的标准 $t_{\text{decline}}$ 与 $t_{\text{rise}}$ 相关性，作者将这种行为归因于 CSM 相互作用。

结论与意义
论文得出结论，SN 2021bnw 可能由中心能量源（可能为 $^{56}$Ni 衰变，但不能排除磁星的可能性）以及抛射物与先前失去的富氦星周物质的相互作用共同驱动。在 NIR 中检测到氦线，结合特定的光变曲线形态（再增亮），支持了 CSM 相互作用在塑造 SLSNe Ib 演化中起重要作用的假设。

这项工作的意义在于其对不断扩大的 SLSNe Ib 样本的贡献。通过为单原星场景提供详细的原星质量和爆炸物理约束，本研究有助于缩小 SLSN I(b) 原星性质的范围。作者指出，由于其推导的参数（高 $^{56}$Ni 质量和动能）表明其偏离了普通的核塌缩——可能指向塌缩星（collapsar）或磁旋转驱动场景——这些估算需要通过深入的恒星演化研究来进一步确认。论文强调，光学光谱中缺乏清晰的 CSM 相互作用光谱特征，可能表明抛射物-CSM 配置存在不对称性，这是旋转驱动爆炸通道中自然产生的特征。