The pair-instability origin of supernova 2023vbw

问题
理论模型预测，在低金属丰度环境下，初始质量约为 $140-260 M_\odot$ 且碳氧核心质量约为 $50-130 M_\odot$ 的恒星，其核心将发生大量的电子 - 正电子对产生。这将导致失控的热核爆炸，彻底摧毁恒星，即对不稳定性超新星（PISN）。尽管此前一些超新星被解释为 PISN 候选体，但它们缺乏预测的全部特性，特别是在总辐射能量、抛射物质量和爆炸能量方面。目前仍需要一个在光度、持续时间和前身星特征方面与理论区间相匹配的已确认 PISN 事件，以约束宇宙中最巨大恒星的死亡过程。

方法
作者展示了由兹威基瞬变源设施（ZTF）于 2023 年 10 月 12.5 日发现的富氢超新星 SN 2023vbw 的详细多波段观测和建模结果。

• 观测：研究利用了 ZTF、ATLAS 和拉斯坎布雷斯天文台（LCO）网络在光学波段（$g, r, i, z$）的光度数据，以及近红外数据。光谱后续观测使用了 MMT（Binospec）、Lick（Kast）、Keck I（LRIS）和 Gemini North（GNIRS）望远镜，时间跨度从首次发现后 134 天至 545 天。
• 宿主星系表征：分析了宿主星系的光谱能量分布（SED）和发射线，以确定金属丰度、恒星质量和恒星形成率。
• 建模：作者采用了一种半解析光变曲线模型，追踪抛射物中的氢复合过程以及放射性 $^{56}\text{Ni}$ 的能量沉积。通过拟合全波段光变曲线和光谱演化，约束了抛射物质量（$M_{\text{ej}}$）、动能（$E_{\text{ej}}$）、前身星半径（$R_0$）和 $^{56}\text{Ni}$ 质量（$M_{\text{Ni}}$）等参数。此外，还将早期和晚期的超额辐射建模为超新星抛射物与星周介质（CSM）之间的相互作用。
• 比较：将推导出的参数与数值 PISN 模型（来自蓝超巨星 BSG、黄超巨星 YSG 和红超巨星 RSG 前身星）以及标准铁核坍缩超新星（CCSN）模型（包括由磁星或回落吸积驱动的那些）进行了比较。

主要结果

• 光变曲线与能量学：SN 2023vbw 表现出明亮（$1.6 \times 10^{43}$ erg s$^{-1}$）且持久（190 天）的主峰，随后是快速下降和一个延长的拖尾。总辐射能量约为 $\sim3 \times 10^{50}$ erg，超过典型核坍缩超新星一个数量级以上。
• 前身星与爆炸特性：半解析建模得出一个类似蓝超巨星（BSG）的前身星，其抛射物质量为 $170-350 M_\odot$，放射性镍质量为 $1.2-1.6 M_\odot$，爆炸能量为 $(6-13) \times 10^{52}$ erg。这些数值显著超过了普通铁核 CCSNe（例如 SN 1987A），甚至超过了 OGLE14-073 等极端事件。
• 金属丰度：该事件发生在低金属丰度环境（$\sim0.1 Z_\odot$），与 PISN 预测一致。光谱分析显示 Fe II 吸收较弱，表明前身星的金属丰度低于 $0.1 Z_\odot$。
• CSM 相互作用：光变曲线显示出相对于 $^{56}\text{Co}$ 衰变的延长冷却阶段和拖尾期超额，两者均可由幂律分量（$t^{-3/8}$）拟合。光谱揭示了具有红移发射的多分量谱线轮廓，表明与一个非球对称、盘状的 CSM 发生相互作用。推断的质量损失率约为 $\sim0.05 M_\odot$ yr$^{-1}$。
• 替代情景：作者排除了磁星自转减速或黑洞回落吸积等替代机制。这些情景需要不切实际的前身星质量、爆炸能量（$E_{\text{ej}} \approx 10^{53}$ erg）或与观测到的光谱演化及恒星演化理论不一致的持续吸积率。

意义
作者声称，SN 2023vbw 的观测特性——特别是高抛射物质量、爆炸能量、总辐射能量和低金属丰度——与对不稳定性超新星预测的区间高度吻合。该事件提供了首个具有富氢包层的 PISN 的详细确认，其可能源自通过双星并合通道形成的巨大 BSG 前身星。此类事件的发现（预计随着 Vera C. Rubin 天文台和南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜等即将开展的巡天而增加），将揭示最巨大恒星的形成、演化及死亡过程，以及它们对黑洞质量间隙和早期化学演化的影响。