Photometric and Spectroscopic Studies of Type Ic Supernovae SN 2020akf and SN 2021mxx

技术摘要：Ia型超新星 SN 2020akf 与 SN 2021mxx 的光度与光谱研究

问题与背景
剥离包层核心塌缩超新星（SE-SNe），特别是 Ib 型和 Ic 型，代表了失去氢和氦包层的质量巨大的恒星的爆炸性死亡。虽然 Ic 型超新星的特征是光谱中缺乏氢和氦谱线，但它们在光变曲线形状、光度和光谱特征方面表现出显著的多样性。这种多样性涵盖了从“正常”Ic 型事件到“宽线”Ic 型（Ic-BL）超新星（通常与伽马射线暴相关，并拥有极高的动能）的范围。一类有时被称为“过渡型”的事件则表现出介于正常型和宽线型之间的特性。理解这些多样化事件的爆炸机制、原初系统及环境影响，需要进行详细的、针对特定天体的分析。本文旨在解决对 SN 2020akf 和 SN 2021mxx 这两个事件进行全面表征的需求，这两个事件最初被误认为是 Ia 型，后被重新鉴定为 Ic 型。

方法论
作者对 SN 2020akf 和 SN 2021mxx 进行了结合光学光度学和中分辨率光谱学的多波长分析。

• 观测： 使用 2 米级喜马拉雅查特拉望远镜（HCT）上的 Himalaya 微弱天体光谱照相机（HFOSC）在 $UBVRI$ 波段进行了光学成像。此外，还整合了来自 Zwicky 瞬变设施（ZTF）和 Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System（ATLAS）的光度数据。光谱覆盖范围相对于 B 波段极大值分别为 SN 2020akf 的 $\sim-5$ 至 $+57$ 天，以及 SN 2021mxx 的 $\sim-3$ 至 $+113$ 天。
• 数据归约： 使用 IRAF 应用了标准归约技术（偏置减除、平场校正）。利用模板图像进行宿主星系减除，以隔离超新星通量。使用银河系尘埃图和与 Carnegie 超新星项目颜色模板的对比进行了红化校正。
• 光变曲线分析： 使用 SuperBol 代码构建了准玻尔兹曼光变曲线，通过插值多波段数据并进行消光校正。利用这些曲线推导了光球温度和半径的演化。
• 光谱分析： 通过识别显著的吸收和发射特征（如 Fe II, Si II, Ca II, C II, O I）来分析光谱演化。通过对 Fe II $\lambda$5169、Si II $\lambda$6355 和 Ca II 近红外三线吸收槽进行高斯拟合，估算了光球膨胀速度。
• 建模：
  • Arnett-Valenti 模型： 采用半解析辐射扩散模型来估算爆炸参数，包括合成的 $^{56}\text{Ni}$ 质量 ($M_{\text{Ni}}$)、抛射物质量 ($M_{\text{ej}}$) 和动能 ($E_k$)。使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法拟合准玻尔兹曼光变曲线。
  • TARDIS： 使用一维辐射转移代码来模拟光谱演化，推导密度分布和元素丰度。
  • MOSFiT： 利用模块化开源瞬变天体拟合器（MOSFiT）进行多色光变曲线建模，以交叉验证爆炸参数。
• 原初星与环境： 利用来自 SDSS 和自定义光谱的发射线比率（N2 和 O3N2 指数）估算了宿主星系的金属丰度。通过零龄主序（ZAMS）质量与理论星云模型进行比较，并利用星云阶段 [O I]/[Ca II] 线比推断了原初质量。

关键结果

• 光度性质：

  • SN 2020akf： 表现出宽阔的光变曲线，其 B 波段上升时间约为 $\sim16$ 天。峰值绝对星等为 $M_V = -17.85 \pm 0.15$ mag，峰值准玻尔兹曼光度为 $\log L_{\text{bol}} = 42.37 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$。
  • SN 2021mxx： 显示出较窄的光变曲线，具有更快的上升（$\sim10.4$ 天）和下降过程。峰值绝对星等为 $M_V = -17.60 \pm 0.15$ mag，峰值准玻尔兹曼光度为 $\log L_{\text{bol}} = 42.21 \pm 0.02$ erg s$^{-1}$。
  • 这两个事件都比典型的正常 Ic 型超新星（如 SN 2007gr）亮，但比 Ic-BL 事件（如 SN 1998bw）暗。

• 光谱演化：

  • 两个超新星均显示出蓝连续谱以及显著的 Fe II、Ca II 和 Mg II 特征。SN 2020akf 在极大值前阶段显示出强烈的 C II 线，这些线迅速消退。
  • 在极大值时的光球速度对于 SN 2020akf 约为 $\sim15,000$ km s$^{-1}$，对于 SN 2021mxx 约为 $\sim10,000$ km s$^{-1}$（由 Fe II $\lambda$5169 推导）。这些数值与正常型或过渡型 Ic 型超新星一致，且显著低于 Ic-BL 事件。
  • SN 2021mxx 的星云光谱（在 102 和 113 天时）由 [O I] $\lambda\lambda$6300, 6363 和 [Ca II] $\lambda\lambda$7291, 7324 发射线主导。[O I]/[Ca II] 通量比约为 $\sim0.96$。

• 爆炸参数：

  • SN 2020akf： 建模参数为 $M_{\text{Ni}} \approx 0.12 \pm 0.01 M_\odot$，$M_{\text{ej}} \approx 4.71^{+0.50}_{-0.46} M_\odot$，以及 $E_k \approx 6.33^{+0.68}_{-0.62} \times 10^{51}$ erg。其比值 $E_k/M_{\text{ej}} \approx 0.134$ 与过渡型事件（如 SN 2004aw）相当。
  • SN 2021mxx： 建模参数为 $M_{\text{Ni}} \approx 0.05 \pm 0.01 M_\odot$，$M_{\text{ej}} \approx 0.90^{+0.14}_{-0.18} M_\odot$，以及 $E_k \approx 0.54^{+0.08}_{-0.12} \times 10^{51}$ erg。该事件具有极低的 $M_{\text{ej}}$ 和 $E_k$，其 $E_k/M_{\text{ej}}$ 比值约为 $\sim0.06$，属于典型的正常 Ic 型超新星。
  • MOSFiT 建模给出了在 $3\sigma$ 不确定度内一致的结果，估计 SN 2020akf 的 $M_{\text{Ni}} \approx 0.20 M_\odot$ 且 $M_{\text{ej}} \approx 3.16 M_\odot$，以及 SN 2021mxx 的 $M_{\text{Ni}} \approx 0.09 M_\odot$ 且 $M_{\text{ej}} \approx 1.53 M_\odot$。

• 原初星与环境：

  • 宿主星系金属丰度接近太阳水平：SN 2020akf（KUG 0925+387B）约为 $\sim0.81 Z_\odot$，SN 2021mxx（UGC 11380）约为 $\sim0.76 Z_\odot$。
  • 对于 SN 2021mxx，星云阶段的 [O I]/[Ca II] 比率和氧质量估算（$\sim0.92 M_\odot$）表明其原初质量在 $13\text{--}18 M_\odot$ 范围内。较低的 $[O I]/[Ca II]$ 比率暗示了一个双星原初系统。

意义与结论
本文将 SN 2020akf 分类为过渡型 Ic 型超新星，其光谱和光度性质介于正常 Ic 型和宽线 Ic 型（Ic-BL）事件之间，类似于 SN 2004aw。其较高的抛射物质量和动能使其区别于典型的正常 Ic 型超新星。

相反，SN 2021mxx 被鉴定为正常 Ic 型超新星，其特征是极低的抛射物质量（$\sim0.9 M_\odot$）和动能。其参数将其置于研究充分的正常 Ic 型超新星分布之中，尽管其低质量数值凸显了该子类的多样性。对 SN 2021mxx 星云阶段的分析支持了涉及较低质量恒星（$13\text{--}18 M_\odot$）且可能通过双星相互作用被剥离的原初星情景。

本研究强调了结合光度建模（Arnett-Valenti, MOSFiT）与光谱分析（TARDIS, 星云线比）来约束爆炸物理过程和原初性质的效用。研究结果为 SE-SNe 的统计提供了贡献，有助于划定正常型、过渡型和宽线型 Ic 型事件及其各自原初通道之间的界限。