SN 2019vxm: A luminous and long-lived Type IIn supernova with early flash-ionisation features

问题描述
IIn 型超新星（SNe IIn）是一类异质性的核心塌缩爆炸子类，其特征是由于快速运动的抛射物与致密星周介质（CSM）之间的相互作用而产生的窄氢发射线。虽然已知这些事件表现出多样化的光变曲线和光谱演化，但具体的原恒星通道以及爆炸前的质量损失机制仍是争论的焦点。特别是高亮度且长寿命的 IIn 型超新星，为研究大质量恒星的最后演化阶段提供了关键见解，这些阶段可能涉及亮蓝星（LBV）或具有超风（superwinds）的极端红超巨星（RSG）。然而，需要对这类事件进行多波段监测，以约束 CSM 密度分布、质量损失率和尘埃形成过程。SN 2019vxm 是一颗高亮度 IIn 型超新星，为通过广泛的光度学和光谱学分析来研究这些性质提供了契机。

研究方法
作者对监测时间超过两年（光学波段约 700 天，中红外约 4 年）的 SN 2019vxm 进行了全面分析。本研究利用了：

• 光度学： 多波段光学（从紫外到 $z$ 波段）和中红外（MIR）观测，包括来自 Swift-UVOT、WISE 和地面望远镜的数据。作者构建了视绝对星等光变曲线、颜色演化轨迹，以及基于谱能量分布（SED）黑体拟合得到的伪玻量光变曲线。
• 光谱学： 跨越约 22 个月的 38 份光学时序光谱，获取自各种仪器（Copernico/Echelle, GTC/OSIRIS, Shane/KAST 等）。其中包括用于解析谱线轮廓的高分辨率（$R \approx 20,000$）和中等分辨率数据。
• 建模：
  • 光变曲线： 将玻量光变曲线与幂律函数进行拟合，并与抛射物-CSM 相互作用的解析模型（Moriya et al. 2013b）进行比较，以估算质量损失率。
  • 尘埃： 使用假设为光学薄尘埃壳（石墨、硅酸盐和无定形碳）的灰体模型对中红外 SED 进行拟合，以推导尘埃质量和温度。
  • 光谱分析： 将早期阶段的光谱与理论闪烁电离模型（Boian & Groh 2020）进行对比，以约束原恒星的质量损失率。对谱线轮廓（H$\alpha$, H$\beta$, He I）进行分析，寻找不对称性、蓝移和 P Cygni 特征，以推断 CSM 动力学和尘埃形成特征。

主要结果

• 光度性质： SN 2019vxm 的峰值绝对星等达到 $M_V = -20.01 \pm 0.13$ 等，将其归类为高亮度事件。它表现出 35.0 天的缓慢上升期和光学波段缓慢的平台状下降，这与长寿命 IIn 型超新星一致。在 $\sim 100$ 天之前的玻量光变曲线遵循幂律衰减（$L \propto t^{-0.49}$），与 SN 2010jl 相似。
• 尘埃形成： 在极大值后 $\sim 210$ 天开始检测到显著的中红外过剩。建模表明存在新尘埃的形成，其质量从早期阶段的 $\sim 10^{-3} M_\odot$ 增加到 $+4.5$ 年时的 $\sim 0.01 M_\odot$。尘埃温度随时间从 $\sim 1000$ K 下降到 $\sim 450\text{--}600$ K。
• 光谱演化：
  • 早期阶段： 光谱由蓝色连续谱主导，具有窄且对称的巴耳末线以及显著的闪烁电离特征（C III, N III, He II），这些特征在爆炸后 $\sim 17$ 天仍持续存在。
  • 中期/晚期阶段： H$\alpha$ 和 H$\beta$ 轮廓演变为更宽、不对称且逐渐蓝移。在 $+19.7$ 天时检测到微弱的 H$\beta$ 和 He I $\lambda 5876$ P Cygni 吸收，表明存在慢速移动（$60 \pm 10$ km s$^{-1}$）的未冲击 CSM。
  • 晚期阶段： 在 $+400$ 天之后，H$\alpha$ 的宽分量变窄，红翼受到越来越多的抑制，这与尘埃遮蔽现象一致。
• 原恒星约束：
  • 质量损失率： 与闪烁电离模型的比较以及光变曲线建模表明，原恒星的质量损失率 $\dot{M} \gtrsim 10^{-2} M_\odot$ yr$^{-1}$（来自光谱的下限）以及在假设 $\rho_{CSM} \propto r^{-2}$ 的情况下约为 $\sim 0.05\text{--}0.1 M_\odot$ yr$^{-1}$（来自光变曲线建模）。
  • 原恒星身份： 高质量损失率和风速（$\sim 150$ km s$^{-1}$）与典型的 RSG 风不符，但与 LBV 情景或双星洛希瓣溢流相吻合。其宿主星系是一个低质量、低金属度的矮星系。

意义
本文将 SN 2019vxm 表征为一颗嵌入在致密、不对称且团块状 CSM 中的高亮度、长寿命 IIn 型超新星。研究结果支持一种涉及大质量、紧凑型恒星的原恒星情景，即该恒星很可能是在爆炸前经历了剧烈的质量损失，例如亮蓝星（LBV）。早期闪烁电离特征持续数周的发现，结合尘埃形成的快速发生以及特定的 CSM 动力学特征，为存在致密且结构化的环境提供了强有力的证据。虽然作者不能完全排除具有超风的极端 RSG 或过渡态后-RSG/LBV 星的情况，但数据强烈倾向于 LBV 起源。该研究强化了高亮度 IIn 型超新星、长持续时间演化以及爆炸前显著质量损失之间的联系，为理解低金属度环境下的质量恒星演化做出了贡献。