超新星观测多样性及前身星性质研究

清华大学王晓锋教授领导的研究团队利用兴隆2.16米望远镜对当前国际上各种时域巡天发现的超新星以及基于国内观测设备巡天所发现的超新星开展了系统的光谱证认和后续观测。利用大样本光谱数据，该研究团队期望对各类超新星爆发的光谱和测光观测特征进行归纳总结和分析。通过对光谱中各种特征谱线的证认以及谱线速度和强度的定量分析对不同类型超新星爆发的前身星性质以及爆炸机制进行限制，并最终检验不同质量恒星的演化模型。Ia型超新星的大样本光谱数据将同测光数据相结合用于提高它们测量河外距离的精度，为最终利用这类超新星揭示宇宙暗能量的性质奠定基础。

在以下两方面取得了重要进展：

1）研究了Ia超新星的观测多样性, 在Ia型超新星前身星及爆发机制方面的研究取得重要进展。

图 1 左图：Ia超新星光谱SN 2011hr与SN 1991T类型，SN2007if以及正常超新星SN 2005cf的早期光谱比较。右图：SN 2011hr与类SN 1991T以及超钱德拉塞卡类型超新星的在不同时刻Ca II线的比较

基于2.16米望远镜的光谱观测，我们开展了光谱特殊的Ia型超新星SN 2011hr的爆发物理研究。该超新星在光极大时比典型的亮Ia超新星SN 1991T要亮，在同一时期其光谱中等质量元素的谱线吸收要明显比SN 1991T要弱（如图 1)。通过光谱模拟，该研究团队认为该超新星也可能代表了连接后两种类Ia超新星的过渡类型。这项研究工作丰富了我们对Ia观测多样性的认识，并首次找到了传统高光度SN Ia与近期发现的超钱德拉塞卡质量极限高光度超新星之间过渡类型的可能候选体。此外，该研究团队还研究了样本数非常稀少的特殊低光度Ia超新星SN 2013en的观测性质。该超新星在光极大时的光谱显示明显的SiII, FeII, FeIII, Cr II以及CaII线等，由这些特征得到的抛射物膨胀速度均在5000 km/s左右，这仅为正常超新星的一半。该超新星的测光和光谱演化与SN 2002cx以及SN 2005hk非常类似，表明他们可能源于类似的前身星模型或者爆发机制。

基于文献以及兴隆2.16米和丽江2.4米望远镜得到的Ia超新星大样本光谱数据分析，该研究团队发现氧的高速特征具有与硅和钙相同的速度区间，并且高速（外层）氧的吸收强度与硅和钙的成反比（见图 2)。我们进一步研究还发现，对于光谱正常的超新星其光度较高的超新星其外层残留的氧越少且膨胀的速度越高。这一结果首次表明外层高速硅和钙特征形成于外层氧的持续核燃烧，而其燃烧的程度差异则可以解释超新星观测的性质差异。这些观测特征与延迟暴轰模型的预测完全一致，而纯爆燃和双暴轰则无法解释。这项研究不但在国际上首次澄清Ia超新星爆发外层物质起源之谜而且还为限制超新星爆发机制提供了直接证据。

图 2 左图：Ia超新星光谱中OI 7773线和SiII 6355线高速特征吸收强度对比。图中虚线表示线性反相关，而蓝色实线表示倒数相关。右图：OI 7773线高速特征速度与光度下降率Dｍ１５的相关。红色空心点表示平均结果和误差

2）观测和研究了不同类型核塌缩超新星,限制了其前身星的性质。

利用超新星爆发前的图像以及对爆发后热光变曲线等观测参数分析和流体动力学模拟该研究团队我们确定了一批IIP型超新星SN 2013ej，SN2014cx, SN 2016cok的前身星性质，验证了它们一般起源于质量为8-20M质量的红超巨星的核心塌缩爆发。对 SN 2013ej 研究表明以前IIP型和IIL型超新星的分类不是绝对的，后两者有可能符合连续分布的特性。此外，该研究团队还研究了一些特殊的IIP型超新星，如低膨胀速度的SN 2013am，不同的抛射膨胀速度可能与爆发时抛射的壳层氢和氦的质量有关。 除了IIP型超新星外，该研究团队还对IIn型超新星 SN 2010jl(光谱表现为窄发射线特征)前身星性质进行了研究。通过分析光谱氢线的发射特征发现该超新星在爆发前数十年内前身星经历了大量的物质抛射过程，由此得到其前身星为30-50 Msun 的亮的蓝变星，这是为数不多的能得到IIn前身星性质的研究工作之一。

 基于2.16米光谱,该研究团队发现宽线Ic型超新星SN2012ap光谱存在显著的星际弥散带吸收（DIB)特征，而这与该超新星在视线方向遭受了严重的消光一致。由于该DIB的吸收强度随时间发生了变化，表明其离爆炸超新星很近，因此有可能是由前身星爆发前丢失的星风物质形成的，这为DIB的形成原因提供了重要线索。 在2012.1-2016.7期间基于2.16米望远镜的观测数据在ApJS,ApJ, MNRAS,和AJ等SCI杂志上发表了12篇论文。

相关论文列表： 

[1] UV–Optical Observation of Type Ia Supernova SN 2013dy in NGC 7250. Zhai, Q.; Zhang, J.-J.; Wang, X.-F.; et al. 2016, AJ, 151,125.

[2] Optical Observations of the Type Ia Supernova SN 2011fe in M101 for Nearly 500 Days. Zhang, K.-C.; Wang, X.-F.; et al. 2016, ApJ,820,67.

[3] A Luminous Peculiar Type Ia Supernova SN 2011hr: More Like SN 1991T or SN 2007if? Zhang, J-J.; Wang, X-F.; et al. 2016, ApJ, 817,114.

[4] The Oxygen Features in Type Ia Supernovae and Implications for the Nature of Thermonuclear Explosions. Zhao, X.-L.; Wang, X.-F.; et al. 2016, ApJ, in press (arXiv:1605.07781).

[5] The Silicon and Calcium High-velocity Features in Type Ia Supernovae from Early to Maximum Phases. Zhao, X-L; Wang, X-F.; et al. 2015, ApJS, 220,20.

[6] Optical observations of an SN 2002cx-like peculiar supernova SN 2013en in UGC 11369. Liu, Z.-W.; et al. 2015, MNRAS, 452,838.

[7] The 1999aa-like Type Ia Supernova iPTF14bdn in the Ultraviolet and Optical. Smitka, Michael T.; Brown, Peter J.; Suntzeff, Nicholas B.; Zhang, Jujia; Zhai, Qian; Wang, Xiaofeng; Mo,Jun; Zhang, Tianmeng. 2015, ApJ, 813, 30.

[8] Optical observations of the broad-lined type Ic supernova SN 2012ap.

Liu, Z.; Zhao, X-L.; Huang, F.; Wang, X-F.; et al. 2015，RAA，15，225.

[9] The THU-NAOC transient survey: the performance and results from the first year. Zhang, T-M; Wang, X-F.; et al. 2015, RAA, 15,215.

[10] SN 2013ej in M74: A Luminous and Fast-declining Type II-P Supernova. Huang, Fang; Wang, Xiaofeng; Zhang, Jujia; et al. 2015, ApJ, 807, 59.

[11] Optical and Ultraviolet Observations of a Low-velocity Type II Plateau Supernova 2013am in M65. Zhang, Jujia、Wang, Xiaofeng, et al. 2014, ApJ, 797,5.

[12] Type IIn Supernova SN 2010jl: Optical Observations for over 500 Days after Explosion. Zhang, Tianmeng, Wang, Xiaofeng, et al. 2012, AJ, 144, 131.