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紫金山天文台发现首例中子星并合引力波事件GW170817
与明亮短暴的直观联系

2019-05-13     来源:中国科学院

  2017817日激光干涉引力波天文台LIGO/Virgo首次直接探测到了双中子星并合事件的引力波辐射。在LIGO/Virgo合作组宣布其引力波信号之前,美国Fermi卫星的伽马暴监视器(GBM)就报道了一个短时标伽马暴(简称短暴)信号GRB 170817A。事实上,早在1989年科学家就曾推测双中子星并合不仅产生引力波信号,还可能产生短暴。只是通常认为短暴的外流体运动的速度非常接近光速。由于狭义相对论的辐射集束效应以及伽马暴外流体一般集中在一个小的张角范围(简称伽马暴喷流),所产生的伽马暴只能在一个很小的立体角区间能够被探测到。在2017年之前,短暴的一些观测特征,尤其是在少数几例短暴中发现的“巨新星/千新星”(macronova/kilonova;来自于中子星并合抛射出的大量富中子物质的快中子俘获过程所产生的比铁更重元素的衰变)强烈支持短暴的中子星并合起源模型。因此,学界公认中子星并合的高频引力波信号会与短暴成协,但一般认为成协的概率很低,约为1%。在首例双中子星并合的引力波事件中就探测到后随的短暴,的确出乎所有人的意料。值得指出的是GRB 170817A尽管是一个短暴,但所观测的各向同性辐射能量仅为1046-1047 erg,比之前探测到的最暗的短暴要低2个数量级(见图1)。所以并不清楚GW170817这样的中子星并合事件是否真的能产生宇宙更深处的那些“明亮”短暴。

  考虑到伽马暴本身的辐射起源尚不清楚,中国科学院紫金山天文台的一个研究组把目光转向了晚期余辉的统计研究,以图建立GW170817与明亮短暴的直观观测联系。这是因为如果GW170817产生与明亮短暴类似的喷流,由于喷流的运动方向偏离观测者视线,因此在伽马暴阶段以及早期余辉阶段所探测到的辐射都会被压低。相对论性的伽马暴喷流在扫过暴周介质时会逐渐减速。当喷流的洛伦兹因子低于之后(这里的分别为视线方向与喷流对称轴方向的夹角以及喷流的半张角),此时的相对论集束效应不再重要;也就是说不同视线方向的喷流的余辉辐射非常相似,都进入非常快速的下降阶段(一般认为衰减率是,其中是激波加速的电子的幂律能谱指数)。

  基于这一考虑,紫金山天文台的研究组统计了一些具有可靠红移测量的明亮短暴的X射线光学和射电余辉并将它们的晚期快下降阶段辐射与GW170817/GRB 170817A的极晚期快速下降进行了对比分析。如图2所示,如果将所有的源都放到200Mpc的观测距离上,明亮短暴的快下降阶段的X射线余辉辐射和GW170817/GRB 170817A的极晚期快速下降X射线余辉数据形成了一个自然的连续序列。如果GW170817/GRB 170817A是一个正轴事件(也就是)的话,那么它将是最亮的X射线余辉辐射之一(见图2的右半部分)。对于光学和射电的数据统计,尽管样本较小,也有同样的结论。

  这个统计不但直观地建立了GW170817与明亮短暴的联系,而且告诉人们对于将来的大多数双中子星并合引力波事件其余辉辐射的探测要比GW170817的更难,因为大部分双中子星并合将发生在更远处,而且可能更大,这些都会降低辐射的亮度。少数双中子星并合事件可能具有更小的,那样的源将有助于填补图2中呈现的观测“间断”(也就是30-150天之间目前还没有“快下降阶段”数据)

  该工作主要得到国家自然科学基金杰青、重点、江苏省杰青及B类先导专项等的资助,已在《天体物理学快报》(The Astrophysical Journal Letters)正式发表。

    文章链接

 

  1:一些已知红移的短暴的各向同性辐射能量的分布。蓝色标识的那些源是图2中的那些具有长期X射线余辉辐射的源。从此图可见,GRB 170817A显著弱于其它的“明亮”短暴(图取自Duan et al. 2019)

 

  2:将一些具有红移的明亮短暴以及GW170817/GRB 170817AX射线余辉辐射移到一个共同的观测距离200Mpc后的统计图(图取自Duan et al. 2019)。显然,晚期快下降的数据形成了一个自然的序列。红虚线示意的是GW170817在正轴观测情况下的X射线流量随时间的演化。显而易见,它将是最亮的X射线余辉之一。

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