剥离包层超新星双星伴星的人口统计特征：种群合成模型与观测的对比研究

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：The Demographics of Binary Companions to Stripped-Envelope Supernovae: Confronting Population Synthesis Models with Observations

本研究针对剥离包层超新星（SESNe）前身星系统的关键演化参数存在巨大不确定性的问题，通过整合当前所有HST对邻近SESN遗迹的伴星探测（6例）和非探测（6例）样本，首次利用POSYDON框架进行详细的二元种群合成计算，系统对比了理论与观测在伴星光度分布、探测比例和赫罗图位置等方面的匹配程度。结果表明，观测数据更支持较低的质量吸积效率（rot> ~ 4%）和大质量沃尔夫-拉耶星（WR）不易发生爆炸的物理图像，并且约12%的伴星可能因超新星抛射物相互作用（ECI）而产生可观测的增亮和变红现象。该研究为独立限制SESN前身星双星演化关键物理过程提供了强有力的新探针，对理解恒星演化、超新星爆发机制以及后续致密天体并合事件具有重要意义。

　　

在浩瀚宇宙的恒星生死轮回中，有一类璀璨的爆发事件格外引人注目——剥离包层超新星（Stripped-Envelope Supernovae， SESNe）。它们主要包括Ib型、Ic型、IIb型等亚型，其最大特征是在爆发时，前身星几乎失去了所有的氢-rich包层。长期以来，天文学家们一直在追问：这些“赤裸”赴死的恒星，究竟是如何在生命最后阶段被剥去外衣的？是依靠自身强大的星风（尤其在金属丰度较高的环境中），还是得益于一个亲密伴星在双星系统中的相互作用？尽管有证据表明绝大多数SESNe可能起源于双星系统，其中伴星通过物质转移剥离了前身星的包层，但这一过程的许多关键细节，如物质转移的效率、前身星最终的爆炸能力等，仍然笼罩在不确定性之中。解决这些难题，对于完整描绘大质量恒星的生命终点、理解双星演化如何影响超新星种群多样性、乃至预测未来的X射线双星和引力波源都至关重要。以往的研究多侧重于单个超新星事件的伴星分析，缺乏从统计角度对整体伴星种群进行系统性的审视。

为了回答这些深层次的问题，由E. Zapartas领导的研究团队开展了一项开创性的工作。他们精心汇编了目前所有的观测证据——利用哈勃空间望远镜（HST）对邻近SESN遗迹进行多年成像所获得的6个伴星探测和6个伴星非探测（即给出了伴星光度上限）案例，构成了一个具有统计意义的样本。这是天文学家首次有机会将这样一个观测样本与最新的、基于物理的二元种群合成模型进行全面的定量比较。该研究主要依托先进的POSYDON种群合成框架进行计算，该框架耦合了详细的MESA（Modules for Experiments in Stellar Astrophysics）恒星演化模型，能够更真实地模拟双星相互作用过程。研究人员通过对比模型预测与观测数据在伴星光度分布、探测比例、赫罗图位置以及抛射物-伴星相互作用可能性等多个维度上的匹配程度，来约束SESN前身星系统的关键物理参数。这项研究论文已发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。

本研究的关键技术方法主要包括：1）观测数据整合与再分析：系统收集已发表的HST对邻近SESN遗迹的成像数据，包括6个探测和6个非探测案例；对部分目标（如SN 2013ge, SN 1993J）的测光数据进行重新拟合以获取一致的伴星参数（温度、光度），并对所有非探测案例进行统一的Kurucz模型大气网格拟合，以确定其温度依赖的光度上限。2）二元种群合成模拟：使用POSYDON v2代码，在0.1至2倍太阳金属丰度（Z_⊙）范围内，演化大量（2·10⁵）大质量双星系统；模型基于详细的MESA网格，处理稳定的物质转移、公共包层演化、恒星旋转等物理过程。3）模型与观测的统计比较：采用贝叶斯似然分析比较不同模型（如不同质量吸积效率、爆炸准则）预测的伴星光度分布与观测数据的匹配度；计算在不同成像深度下理论预期的伴星探测比例，并与观测比例进行对比。

伴星的出现率和演化阶段预测

模型预测表明，在不同金属丰度下，约80-90%的SN Ib/c和60-85%的SN IIb在爆炸时伴有一颗恒星伴星，其中绝大多数是处于主序（Main-Sequence， MS）不同演化阶段的、因吸积物质而高速旋转的恒星。只有少数SESNe（SN Ib/c约2%， SN IIb比例稍高）没有伴星，它们可能起源于单星、并合事件或被抛射的前身星。此外，约8%的SN Ib/c和最多10%的SN IIb伴星是致密天体（主要是黑洞）。这些伴星在超新星爆发时通常具有很高的自转速度（平均ω/ω_crit~ 0.84）。

伴星的光度分布

观测到的伴星光度分布（探测和上限）与POSYDON默认模型（仅考虑成功爆炸的SESNe）预测基本吻合。模型预测大多数伴星的光度在log₁₀(L/L_⊙) = 2.5-5范围内。与采用不同质量吸积效率的模型对比发现，观测数据更倾向于较低或中等效率的模型（如POSYDON的旋转限制吸积，平均效率~4%；或固定β=30%的模型），而完全保守的质量转移（β=100%）模型因预测过多高光度伴星而与观测，特别是非探测案例，存在显著矛盾。

可探测伴星的比例

考虑到当前观测的光度深度限制（通常log₁₀(L/L_⊙) ? 3.5），观测到的总体伴星探测比例（50⁺¹⁴_-14%）与模型预测大致相符。然而，SN IIb的观测探测比例（75^+14.5_-25%）似乎略高于模型在大多数金属丰度下的预测，这可能暗示SN IIb倾向于在低金属丰度环境形成，或其通道可能产生更明亮伴星。模型预测的后期演化伴星（如红超巨星）比例很低（<10%），但观测中几个SN Ib/c的伴星似乎比主序星更红，这可能部分归因于抛射物-伴星相互作用。

对伴星非探测结果的解读

对于大多数非探测案例（如SN 1994I, SN 2008ax, SN 2015G, SN 2017gax），模型表明存在一颗暗淡的、未被探测到的恒星伴星的可能性仍然很高（>65%）。唯一的例外是SN 2012fh，其深度限制强烈排除了暗淡恒星伴星的存在（概率<9%），支持其伴星为致密天体或无伴星的场景。这一分析也支持了低质量吸积效率的结论，因为高效率模型会使得大多数非探测案例中的伴星无法“隐藏”。

伴星在赫罗图中的位置

模型预测的伴星主要分布在主序上。三个SN IIb的探测伴星位于预测的MS伴星种群的高光度区域。而三个SN Ib/c的探测伴星（SN 2019yvr, SN 2006jc, SN 2013ge）则显得比主序星更红，位于赫氏空隙或接近TAMS（恒星的演化末期）。由于模型预测的后期演化伴星非常罕见，这种“过量的”表观演化伴星可能部分是由于超新星抛射物与伴星相互作用导致伴星暂时性增亮和变红所致。

超新星抛射物与幸存伴星相互作用的可能性

计算表明，约12%（SN Ib/c比例更高，SN IIb仅~3%）的伴星因其在爆发前轨道上对前身星所张的立体角足够大，可能经历显著的抛射物-伴星相互作用。这种相互作用会使伴星在爆发后数年至数十年内偏离热平衡，显得更亮、更红，从而可能被误判为演化更晚期的恒星。SN 2006jc和SN 2013ge的伴星是ECI的候选对象。这种现象也可能解释SN 2022jli等特殊事件的观测特征。

研究结论与讨论部分强调，通过对SESN伴星 demographics 的首次数统计研究，获得了对前身星双星演化关键物理的独立且强有力的限制。主要结论和意义包括：1）限制质量转移效率：观测到的伴星光度分布和非探测案例的数量共同指向较低的质量吸积效率，这与大质量沃尔夫-拉耶双星中的发现一致，不支持高度保守的转移场景。这一定量限制对理解双星演化结局、X射线双星和致密天体并合事件的初始条件至关重要。2）支持大质量剥离核心不易爆炸的观点：较高的伴星出现率和缺乏高光度伴星的现象，共同不利于大质量WR星成功爆炸的假设，支持了二元相互作用形成的较低质量氦核更容易成功爆炸的理论。这解释了为何在邻近超新星的前身星探测中难以找到WR星。3）揭示抛射物-伴星相互作用的普遍性：理论预测约12%的伴星会经历可观测的ECI效应，这为解释一些观测到的“异常”伴星性质（如表观温度较低）提供了新思路，并提示在伴星搜寻中需考虑这种时标较长的效应。4）为未来研究提供基准：当前虽小的样本已能给出有意义的限制。随着未来更大伴星样本的获得和后续深入研究（如确认ECI候选体），SESN伴星 demographics 将成为检验恒星演化模型、解读大型瞬变源巡天数据（如ZTF, LSST）的宝贵基准。此外，研究还讨论了特定SN亚型（如Ibn, Ic-BL）伴星的复杂性、伴星在超新星后的命运（如成为逃逸星或构成X射线双星）以及观测上需要注意的污染源（如星团混淆、尘埃遮挡、光变曲线回声等）。总之，这项工作成功地将观测天文学与理论天体物理学相结合，深化了我们对大质量恒星如何通过双星相互作用走向生命终点的理解。