The Progenitor System of Type Ia Supernovae via Early-Time Observation using Small Telescope Network

Abstract

Ia형 초신성은 항성 진화의 마지막 단계에서 나타나는 폭발 현상의 하나로, 그 원형별은 백색왜성으로 알려져 있다. 백색왜성의 탄소 핵이 열핵융합 폭발에 의하여 붕괴되면서 철보다 무거운 원소들을 만들며, 광도 곡선은 니켈56과 같은 철계열 원소들의 방사성 붕괴로부터 나오는 에너지를 원천으로 밝아진다. 폭발 과정에서 핵합성은 초신성 원형별의 주변 환경의 원소 함량을 풍부하게 하며, 별탄생과 은하 진화까지 이끈다. 특히, Ia형 초신성은 표준 광원의 좋은 후보 천체로서 먼 천체까지의 거리를 측정하는 ``거리 측정자''로서 표준 우주론의 검증에도 중요한 역할을 해왔다. 그러나, Ia형 초신성의 원형별계가 무엇인지에 대하여 여전히 분명하지 않다. 현재 대립 중인 주된 원형별계의 모형으로는 백색왜성과 비축퇴 동반성의 근접 쌍성계(단일 축퇴 모형)와 백색왜성 쌍성계(이중 축퇴 모형)가 있다. 이 모형들을 구분하는 한가지 방법은 폭발 초기에 초신성 분출물과 동반성 표면과의 충돌(동반성 모형)로 발생한다고 예측되는 ``충격파-가열 냉각 복사'' 현상의 흔적을 검출하는 것이다. ``근거리 은하들의 집중 모니터링 탐사 (Intensive Monitoring Survey of Nearby Galaxies; IMSNG)''는 이러한 충격파-가열 냉각 복사를 검출하기 위해 10대 이상의 소형 망원경의 네트워크인 ``소형망원경 네트워크 (소망넷)''를 활용하여 하루 이내의 매우 짧은 간격의 시계열 관측을 수행해왔다. 본 학위 연구에서는 먼저 소형 망원경 네트워크 시스템을 개선하기 위하여 추가적인 망원경 시스템을 구축하였고, 그 특성과 성능을 조사한 내용을 기술한다. 다음으로, IMSNG 탐사에서 폭발 초기에 관측한 초신성들 중 두 개의 Ia형 초신성인 SN 2019ein과 SN 2021hpr의 초기 광도 곡선 분석 결과를 제시한다. 첫번째 연구는 2020년 3월 칠레 딥스카이칠레 관측소에 설치한 0.36미터 고등과학원 참눈 망원경(KCT)의 자동화 관측과 성능을 소개한다. KCT의 목적은 어두운 칠레 하늘을 이용하고, 다른 소형 망원경과 함께남반구에서의 관측 간격을 더 촘촘히 함으로써 변광 천체들을 중심으로 시계열 관측을 수행하는 것이다. KCT는 ``관측소 제어판 (ACP)''으로 불리는 상용 소프트웨어를 사용하여 관측자가 미리 업로드한 스크립트를 기반으로 스케쥴링 관측을 수행해준다. 지금까지의 관측 이미지들은 약간 늘어나있기는 하지만 시야각($49\farcm4\times49\farcm4$) 전반에 걸쳐 균일한 점퍼짐함수(PSF)를 보여주며, 매우 짧은 노출 시간에서도 셔터 패턴의 영향을 받지 않았다. 또한 약한 달빛 영향 하에 맑은 하늘(3초 시상)에서 10분의 노출시간으로 얻은 g 필터 이미지에 대한 5시그마 한계 등급은 18.9 AB등급으로 계산되었다. KCT 시스템 운영에 있어 관측 계획을 개량하여, 앞으로 변광천체를 더 빠르게 후속 관측하는 방향으로 개선하고자 한다. 두번째 연구에서는 IMSNG에서 관측한 일반적이나 약간 어두운 Ia형 초신성인 SN 2019ein의 광학/근적외선 광도 곡선을 분석한 결과를 제시하고, 원형별계에 대하여 논의하였다. NGC 5353은 IMSNG 프로그램의 관측 타겟인 NGC 5350과 함께 있는 천체이므로, SN 2019ein의 폭발 초기 자료를 얻을 수 있었다. 초기광도곡선에서는 충격파-가열 냉각 복사의 흔적이 보이지 않았으며, 동반성 모형에 단순멱함수를 결합한 적합 분석 결과, 동반성의 크기는 태양 반경의 약 1.0배이었다. 이러한 결과는 해당 초신성의 동반성으로 적색거성과 같은 큰 항성은 배제할 수 있는 것이다. 색지수 변화에서도 초기에 푸른 색을 보이지 않았으며, 얇은 헬륨 껍질을 갖는 백색왜성에서의 폭발 모형인 이중 폭발 모형과도 상반되는 관측 결과였다. 세번째 연구는 NGC 3147 은하에서 발생한 일반적인 Ia형 초신성인 SN 2021hpr의 초기 광도 곡선과 추가적인 자료 분석 결과를 제시한다. 이 초신성에서 가장 흥미로운 부분은 초기 광도 곡선의 푸른색의 뚜렷한 초기 초과 현상이었다. 이를 동반성 모형으로부터 기인한 충격파-가열 냉각 복사로 간주했을 때 동반성의 크기는 약 6 태양반경의 항성으로 발생한 것으로 생각할 수 있다. 추가적으로 폭발 이전에 깊게 촬영된 허블 우주 망원경의 고분해능 이미지에서는 원형별계가 발견되지 않았다. 이미지의 관측 한계 등급으로부터 적어도 원형별계가 태양 질량의 12배보다 가벼운, 즉 태양 반경의 300배보다는 작을 것으로 추정할 수 있었다. 또한 폭발 당시 분출물에 의하여 벗겨진 동반성 표면의 물질이 폭발 200일 이후 후기 성운상 단계에서 H$\alpha$ 방출선으로 검출될 것이라 예측된다. 그러나 맥도날드 천문대 하비-에벌리 망원경(Hobby-Eberly Telescope; HET)의 긴슬릿 관측 자료에서는 동반성의 벗겨진 물질의 흔적이 관측되지 않았다. 이것은 앞서 초기 광도 곡선 연구와 상반되는 결과이다. 여러 설명들 중 약한 초신성 폭발 에너지이기 보다는 오히려 주성과 동반성 간의 거리가 멀면 벗겨지는 물질의 질량이 작을 가능성으로 단일 축퇴 모형에서도 이러한 미검출이 설명 가능해 보인다. 본 연구의 결과는 다른 원형별계의 가능성도 시사하는데, 일부 이중 폭발 모형에서는 폭발 초기에 보이는 붉은 색지수의 봉우리를 설명할 수 있으나, 최대 밝기 이후의 $B$-밴드에서의 광도 곡선이 너무 빠르게 어두워지는 부분과 맞지 않는다. 또한 니켈56이 분출물에 과도하게 분포한 경우도 하나의 가능성이 될 수 있으나, 매우 붉은 ($B-V>1$) 색지수 봉우리를 만드는 $B$-밴드 플럭스 강하가 SN 2021hpr에서는 보이지 않는다. 이중 축퇴 모형에서는 동반성 물질의 원반을 가지고 있는 백색왜성이 폭발하면서 푸른 초기 초과를 방출하는 모형이 가능할 것으로 보인다. 앞으로의 더 구체적인 모형을 이용한 후속 연구가 SN 2021hpr의 특이한 초기 측광학적 특성을 설명할 수 있을 것이며, 이러한 SN 2021hpr의 특성은 다양한 초신성 원형별계 모형을 검증하는 데에 좋은 표본이 된다. 본 학위 연구의 결론의 요약은 다음과 같다. 다수의 소형 망원경 이용한 짧은 간격의 관측은 여전히 초신성의 초기 광도 곡선을 얻는 데에 강력한 방법이다. IMSNG 탐사에서 얻은 Ia형 초신성의 초기 광도 곡선은 현재까지 제안된 초신성의 원형별계 모형들을 검증하는 데에 중요한 관측적 증거를 제공한다. Ia형 초신성의 원형별계에서 반경이 큰 (적색거성, 적색초거성) 항성은 기존에 알려져 있던 것과 다르게 동반성으로서 매우 제한적으로 가능해 보인다. 이것은 초기 초과 현상을 갖는 Ia형 초신성이 적고, 후기 성운상 단계에서 수소 방출선이 거의 관측되지 않는 점으로 알 수 있다. 본 학위 논문의 결과도 분리각이 매우 클 때의 적색거성 동반성의 가능성을 열어두었으나, 이전 연구 결과들을 지지한다고 할 수 있다. 앞으로의 IMSNG 관측에 대하여 한계등급을 조금 더 깊게($R\sim20.4\,AB$)한다면, 단일 축퇴 모형과 이중 축퇴 모형을 더 명확히 구분할 수 있을 것이다. $0.1\,R_{\odot}$ 크기의 항성으로부터 발생하는 가열 냉각 복사의 최대 광도는 $R\sim-12$등급으로 훨씬 어둡지만, 가까운 ($D<30\,Mpc$) 표본에 대하여 $R\sim20.4\,$AB 등급의 한계등급에 도달함으로써 가능할 것이다. 특히 초기 초과 현상이 관측된 초신성의 경우, 색지수, 스펙트럼, 고분해능 딥 이미징과 같은 추가적인 자료들이 이러한 모형들을 구분하는 데에 있어 필수적이라고 할 수 있다. 여기에 제임스 웹 우주 망원경, 루빈 천문대, 거대마젤란망원경과 같은 차세대 대형 망원경의 고분해능 이미지와 소형 망원경의 빠른 후속 관측은 Ia형 초신성과 다른 변광천체들의 원형별계의 본질을 이해하는 데에 더 많은 시너지 효과를 가져올 수 있다.

Type Ia supernovae (SNe Ia) are the explosion at the final stage of stellar evolution. The progenitor star is believed to be a white dwarf (WD) and its light curve rises from the carbon ignition of WD (Thermonuclear runaway), forming heavy elements. These elements enrich their environments and contribute to star formation and galaxy evolution. Especially, SNe Ia plays an important role in measuring extragalactic distance as a good candidate for a standard candle. However, the progenitor system of SNe Ia is still in debate: a system of WD primary and non-degenerate companion (single degenerate; SD) or a WD binary (double degenerate; DD). One way to constrain them is to detect the signature of shock-heated cooling emission predicted from the collision between SN ejecta and the companion star in the early light curve. Intensive Monitoring Survey of Nearby Galaxies (IMSNG) program has been performed by us to catch this predicted feature with a high cadence (within a day) using a small telescope network. In this thesis work, we establish an additional telescope to improve this system. Among the early observational data of SNe in IMSNG, we present the results of early light curve analysis of two Type Ia supernovae, 2019ein and 2021hpr. First, we introduce the 0.36-m automated system of the KIAS Chamnun Telescope (KCT), installed at DeepSkyChile in Chile in 2020 March. KCT aims to perform time-series observation mainly focused on transient objects under the dark sky in Chile and improve synergy with other telescopes around the world. Here, we present the basic characteristics of the system, automated operation, performances, and plans. KCT uses a public software of ACP Observatory Control Panel (ACP) that performs scheduled observations based on the script (``Observing plan'') uploaded by a user in its scheduling dispatcher. In the imaging data, we find uniform PSFs but slightly elongated over the field of view, and no shutter pattern in very short exposures. In addition, a $5\sigma$ limiting magnitude of $g=18.9\rm \,AB\,mag$ for a point source with 10 minutes of integrated exposures in the clear sky affected by a small amount of the moonlight and the seeing condition of $3\farcs0$. The operation of the KCT system will be improved to deal with future rapid transient follow-up programs via customization of the observing plans. Second, we present a high cadence optical/Near-IR light curve of normal but slightly faint type Ia SN 2019ein from the IMSNG program. We fit the early light curve ($t<+8.3\,$days from the first detection) with various models to find the shock-heated cooling emission from SN ejecta-companion interaction. No significant shock-heated cooling emission is found, from which we constrain the progenitor star size as the following.The upper limit ($R_{\rm upper,*}$) of the companion size in $R$-band is $\sim0.2\,R_{\odot}$ when forcing the first light time ($t_{\rm fl}$) to have one value and $\sim0.9\,R_{\odot}$ when using the mean value of $t_{\rm fl}$ from the fitting in each band. These results allow us to at least rule out large stars like red giants as a companion star of WD of this supernova. $B-R$ and $V-R$ color do not show any significant signs of a red bump, which is not explained by a sub-$M_{\rm ch}$ with a thin helium shell ($M_{\rm He}<0.01\,M_{\odot}$) (double detonation model). In addition, we estimated the distance to NGC 5353 as $37.098\pm0.028\,$Mpc. Third, we present a high-cadence monitoring observation of SN 2021hpr in a spiral galaxy, NGC 3147. SN 2021hpr shows typical characteristics as a normal type Ia supernova from its photometric ($\Delta m_{15}(B)=0.98\pm0.03$, dust-free $M_{\rm B,max}=-19.56\pm0.11$) and spectroscopic data. We found a significant feature of ``an early excess'' on the light curve and its blue color. To explain this, we fit the early part of $BVRI$-band light curves simultaneously with a two-component model of the ejecta-companion interaction and a simple power-law model. As a result, the companion model can explain this feature with the reduced chi-square ($\chi^{2}_{\nu}$) of $2.3$ giving us the companion radius of $5.95\pm0.35\,R_{\odot}$ assuming the optimal viewing angle. Compared to a recent Hubble Space Telescope (HST) detection image of SN 2021hpr, we could not detect possible progenitor candidates in the HST pre-explosion imaging, but the detection limit excludes massive stars with an initial mass $M_{\rm init}>12\,M_{\odot}$. However, we could not find any signs of the stripped mass ($\lesssim0.002\,M_{\odot}$ for H$\alpha$ emission) from the companion star predicted in the SD system, being contradictory with the early light curve fitting. We discuss this discrepancy with the SD system in large binary separation, leaving the possibility of other progenitor scenarios. This indicates SN 2021hpr is a good sample to verify various progenitor scenarios of Type Ia supernovae. In conclusion, we found that high-cadence observation using small telescopes is a powerful way to study the early light curves of SNe Ia. Early light curves from the IMSNG program provide us with observational evidence to rule out some of the currently suggested models of the progenitor system of SNe Ia, but our results also suggest possible multiple origins.