Observation and interpretation of type IIb supernova explosions

Zusammenfassung

Core-collapse supernovae (CC-SNe) explosions represent the final demise of massive stars. Among the various types, there is a group of relatively infrequent CC-SNe termed type IIb, which appear to be hybrids between normal type II SNe (those characterised by H emission) and type Ib (those that lack H features in their spectra but exhibit prominent HeI lines). The nature of the stellar progenitors leading to type IIb SNe is currently unknown, although two channels are contemplated: single massive stars that have lost part of their outer envelope as a consequence of stellar winds, and massive stars that shed mass by Roche-Lobe overflow to a companion. The latter is in fact the favoured scenario for most of the objects observed up to now. In the majority of cases, when there are no direct progenitor detections, some hints about type IIb SN progenitors (e.g., initial mass) can be derived indirectly from the objects' light curves (LCs) and spectra. Motivated by the relatively few well-sampled observational datasets that exist up to date for type IIb SNe and the unknowns on their progenitors, we carried out extensive observations (mainly in the optical domain) for the young type IIb SNe 2011fu and 2013df. Both these SNe are particularly interesting because they show a first LC peak caused by shock breakout, followed by a secondary 56Ni-decay-powered maximum. The analysis of the data for SNe 2011fu and 2013df points to precursors that seem to have been stars with large radii (of the order of 100~RSun), with low mass hydrogen envelopes (tenths of MSun), and relatively low initial masses (12-18 MSun), which could have formed part of interacting binary systems. The nature of a third SN IIb candidate, OGLE-2013-SN-100, proved to be enigmatic. OGLE-2013-SN-100, shows a first peak in the LC, and other characteristics somewhat similar to those of type IIb SNe. However, after a deeper analysis, we conclude OGLE-2013-SN-100 is likely not a SN of type IIb. We provide an alternative possible explanation for this object, which implies a combination of a SN explosion and interaction of its ejecta with circumstellar-material. SNe~2011fu and 2013df were included in a larger sample of type IIb SNe to carry out a comparative study of their observables and environment. Regarding the host galaxies, 90% of the objects are located in giant (r<-18 mag) hosts. In addition, the SNe are about equally split in low star formation and high star formation rate spiral galaxies. Concerning the SN ultra-violet (UV), optical, and near-infrared (NIR) LCs, we find a dispersion in both shape and brightness. Particularly, a few objects show a sharp declining early phase in the UV and double-peaked optical-NIR LCs. However, the absence of a first LC peak, in some of the cases, may be due to lack of early observations. In addition, we found dispersion in the evolution of the colour indices of the SNe, making the colour comparison method not suitable to estimate extinction toward a type IIb SN. In the optical domain, the study of the (secondary) peak brightness in the R band shows that low luminosity events could be uncommon and the average brightness of the sample is ~-17.5 mag. As for the spectral properties, the SNe that show an early spike in their LCs exhibit blue, shallow-lined early-time spectra and arise from extended progenitors (R~100 RSun). Additionally, while there is an overall resemblance of the measured ejecta velocities, there is also dispersion of equivalent widths, nebular line luminosities and ratios among all the objects that could indicate differences in the ionisation state of the ejecta and mixing. All in all, we find heterogeineity in the studied observables of the sample of type IIb SNe, which reflects the variety of their explosion parameters and progenitor properties. Las supernovas de colapso gravitatorio (CC-SNe) representan el fin de la evolución de estrellas masivas. Entre otros tipos, hay un grupo de CC-SNe relativamente infrecuentes denominado SNe IIb, que aparentan ser híbridos entre SNe de tipo II (con emisión de H) y tipo Ib (que carecen de H pero sí presentan HeI). La naturaleza de los progenitores de las SNe IIb es desconocida, aunque se contemplan dos escenarios: estrellas muy masivas, que pierden parte de su envoltura por vientos estelares, y estrellas masivas, que forman parte de un sistema binario y han cedido masa a una compañera antes de explotar. Este segundo escenario es de hecho el más favorable para la mayor parte de las SNe IIb observadas hasta ahora. En la mayoría de los casos, cuando no hay detecciones directas de los progenitores de las SNe IIb, pueden obtenerse pistas sobre su naturaleza (e.g. masa inicial) a partir de las curvas de luz (LC) y espectros de las SNe. Motivados por el bajo número de SNe IIb observadas en detalle y las incógnitas sobre sus progenitores, hemos hecho observaciones intensivas (principalmente en el rango óptico) de dos SNe IIb jóvenes: SNe 2011fu y 2013df. Ambas SNe son particularmente interesantes porque presentan un primer máximo en su LC, debido al shock breakout y que ha sido escasamente observado para otras SNe, seguido de un segundo máximo provocado por el decaimiento radiactivo del 56Ni. El análisis de los datos de SNe 2011fu y 2013df apunta a que sus precursores parecen haber sido estrellas con radios del orden de 100 Rsol, con envolturas de H de baja masa (décimas de Msol) y con masas iniciales relativamente bajas (12-18 Msol), lo que apunta a que podrían haber formado parte de sistemas estelares binarios. La naturaleza de un tercer objeto candidato a SN IIb, OGLE-2013-SN-100, resultó ser enigmática. OGLE-2013-SN-100, presenta un primer máximo en su LC y otras características parecidas a las SNe IIb. Sin embargo, tras un análisis profundo de sus datos, concluimos que probablemente no sea una SN IIb y damos una posible explicación alternativa para este objeto, que implica la combinación de una SN y la interacción del material eyectado con material circunestelar. SNe 2011fu y 2013df fueron incluidas en una muestra de SNe IIb para hacer un estudio comparativo de sus observables y entorno. Con respecto a las galaxias en las que tienen lugar, 90% de los objetos están localizados en galaxias gigantes (r<-18 mag). Además las SNe están divididas prácticamente por igual en galaxias con alta y con baja formación estelar. En relación a las LCs en el ultravioleta (UV), óptico e infrarrojo cercano (NIR), encontramos dispersión tanto en la forma como en el brillo. Particularmente, algunos objetos presentan LC con una caída pronunciada en fases tempranas en el UV y curvas de luz con dos máximos en el óptico-NIR. Hemos encontrado además dispersión en la evolución de los índices de color de las SNe, lo que hace que el método de comparación de colores no sea adecuado para estimar la extinción hacia una SN IIb. En el rango óptico, el estudio del máximo (secundario) en las curvas de luz en banda R muestra que los objetos de baja luminosidad podrían ser poco comunes y que la magnitud media del máximo está en torno a -17.5 mag. Con respecto a las propiedades espectrales, las SNe que muestran un primer máximo en la LC tienen espectros tempranos azules con líneas poco pronunciadas y provienen de progenitores extensos (R~100Rsol). Además, mientras que las velocidades del material eyectado en la explosiones de las distintas SNe son parecidas, hay dispersión en las anchuras equivalentes de las líneas y en las luminosidades y ratios de las líneas nebulares de los distintos objetos lo que podría indicar diferencias en el estado de ionización y grado de mezcla. En definitiva, encontramos heterogeneidad en los observables de la muestra de SNe IIb, lo que refleja la variedad en los parámetros de explosión y en las características de sus progenitores.