Superlinear Type II Superluminous Supernovae 2017fck and 2019cmv: A Possible Origin from Interacting Thermonuclear Supernovae

技术摘要：超线性 II 型超亮超新星 2017fck 与 2019cmv：可能起源于相互作用的热核超新星

问题陈述
超亮超新星（SLSNe），特别是富氢型 SLSN-II，表现出超过传统能量来源（如放射性衰变或冲击沉积能量）能力的峰值光度（$\gtrsim -21$ mag）。虽然星周物质（CSM）相互作用是驱动 SLSN-II 的主要机制，但由于过强的 CSM 特征，其底层超新星的本质及原初系统仍然难以捉摸。具体而言，目前尚不清楚这些事件是起源于大质量恒星的核心塌缩，还是源于白矮星与致密 CSM 相互作用的热核爆炸（SNe Ia-CSM）。本文旨在解决识别特定“超线性”SLSN-II（以峰值后的线性下降为特征）的原初系统，并确定这些事件是否可以由双星系统中白矮星的热核爆炸来解释。

研究方法
作者通过结合观测数据与数值模拟，对 SLSN-II 2017fck 和 2019cmv 进行了全面分析：

1. 观测数据： 本研究利用了来自 Gaia、ZTF、ATLAS 和 Las Cumbres Observatory (LCO) 的光学测光数据，以及来自 SOAR、Liverpool Telescope、Keck I/II 和 Magellan 的光谱数据。数据处理采用了标准流水线（如 lcogtsnpipe、PyZOGY、floyds pipeline），并基于宿主星系性质进行了消光校正。
2. 宿主星系分析： 利用存档成像数据（DESI Legacy Surveys、DES、PS1）和光谱确定了宿主星系。通过光谱能量分布（SED）建模（Prospector）和发射线比率，推导了恒星质量、恒星形成率（SFR）、金属丰度和超新星偏离位置等属性。
3. 光谱与光变曲线分析： 作者使用 GELATO 分类工具分析了光谱演化，并将通量比（特别是 H$\alpha$/H$\beta$）与已知的 SNe IIn 和 SNe Ia-CSM 样本进行对比。通过对多波段测光数据进行黑体 SED 拟合，构建了玻尔兹曼光变曲线。
4. 数值模拟： 使用一维多组辐射流体力学代码 STELLA 生成了一组数值光变曲线模型网格。这些模型模拟了与不同质量（$M_{\text{CSM}} \approx 2-11 M_\odot$）和密度剖面（$\rho \propto r^{-2}, r^{-1}, r^0$）的 CSM 相互作用的 Ia 型超新星（使用 W7、91bg、91T 以及中间态 bgW7 抛射物模型）。

关键结果

• 观测特征： SNe 2017fck 和 2019cmv 均表现出“超线性”光变曲线，其特征是明亮的峰值（$M_G \approx -21.8$ 至 $-20.4$）随后是长期的线性下降（$\sim 0.01-0.02$ mag day$^{-1}$），持续时间超过 200 天。
• 与 SNe Ia-CSM 的光谱相似性： 这两个天体的光谱均显示在蓝色连续谱上的窄巴耳末发射线，并演化为具有抑制红翼且 H$\alpha$/H$\beta$ 通量比增加的宽不对称 H$\alpha$ 轮廓。这些特征与 SNe Ia-CSM（例如 2005gj、1997cy）高度吻合，而非典型的 SNe IIn。值得注意的是，它们缺乏在核心塌缩事件中常见的强 [O I] 和 Mg I] 发射线。
• 宿主星系背景： SN 2017fck 位于一个低质量、恒星形成活跃且具有亚太阳金属丰度的星系中，这与典型的 SLSN 宿主一致。SN 2019cmv 距离一个高质量椭圆星系约 18 kpc，这种配置更符合 SNe Ia 原初系统预期的较长延迟时间，而非大质量核心塌缩原初系统。
• 模拟约束： 数值模型成功重现了观测到的光变曲线和参数空间（峰值光度 vs. 下降率）以及 SNe 2017fck 和 2019cmv。最佳拟合结果要求：
  • SN 2017fck： 一个底层为 91T 型 SN Ia，与 $\sim 10.7 M_\odot$ 的 CSM 相互作用，且密度剖面为 $\rho \propto r^{-1}$。
  • SN 2019cmv： 一个底层为 bgW7 型 SN Ia，与 $\sim 6.3 M_\odot$ 的 CSM 相互作用，同样具有 $\rho \propto r^{-1}$ 的密度剖面。
• 相关性： 研究在 SLSNe-II 和 SNe Ia-CSM 的合并样本中，发现峰值光度与峰值后下降斜率之间存在显著的正相关关系，而 Ia-CSM 模型成功重现了这一关系。

意义与主张
本文认为，SNe 2017fck 和 2019cmv 为一部分超线性 SLSN-II 提供了一种合理的实现热核起源。通过证明具有大质量 CSM（$\sim 6-11 M_\odot$）的 SNe Ia-CSM 模型可以重现这些极端光度（$\sim 10^{44}$ erg s$^{-1}$）和光变形态，作者指出，“超线性”SLSN-II 类可能并不排他性地需要大质量恒星的核心塌缩。

推导出的 CSM 质量与白矮星与大质量（$\ge 8 M_\odot$）或中等质量（$< 8 M_\odot$）伴星在共用包层（CE）演化过程中抛射物质的规模一致，从而支持了 SNe Ia 的核心-退化（CD）情景。作者指出，虽然此前已有关于将 SLSN-II 2006gy 与 SNe Ia-CSM 联系起来的提议，但 2017fck 和 2019cmv 将这一联系扩展到了更广泛的峰值光度和下降率范围。研究结论认为，SLSNe-II 光变的差异性可以通过 CSM 分布和底层 SN Ia 子类型的多样性来解释，而不一定需要为所有此类事件都存在一种独特的质量恒星爆炸类别。未来的观测（如晚期光变曲线的下降和星云期光谱）对于进一步约束 CSM 的范围和底层成分是必要的。