我国学者在引力波事件光学对应体研究方面取得重要进展
日期 2019-10-16  来源:数理科学部  作者:刘强 金志平


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图1 一些明亮短暴的早期光学、X射线能谱对比图。注意AT2017gfo是与GW170817/GRB 170817A成协的千新星,具有黑体谱。与其它伽玛暴相比,GRB 070809具有最软的光学谱及最硬的X射线谱。GRB 070809的红移z尚不确定,如果z=0.22,则其与AT2017gfo,GRB 160821B和GRB 061201的光学辐射谱颇为类似。如果z=0.47,则该千新星比同时期的AT2017gfo亮5倍左右


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图2 已知红移暴及GRB 070809中的千新星(候选体)的性质对比。L代表光度,Tintt’分别代表红移修正后的温度与时间,βΓ代表的是辐射区的速度(以光速为单位)。从图可见,早期千新星的辐射区的温度及速度可能有较宽的分布范围

  

       在国家自然科学基金项目(批准号:11433009, 11525313, 11773078)的资助下,由中国科学院紫金山天文台领导的一个国际合作团队在短时标伽玛射线暴(简称短暴)GRB 070809中新发现一例特殊的千新星候选体,研究成果以“A Kilonova Associated with GRB 070809”(与伽玛暴070809成协的千新星)为题,于2019年10月7日发表在Nature Astronomy(《自然-天文学》)上,论文链接: https://www.nature.com/articles/s41550-019-0892-y 。

  千新星是由中子星并合过程抛射的超铁(也就是比铁重的)元素的放射性衰变所产生的红外、光学暂现源,它的辐射大致是各向同性的,和引力波信号的成协率高。千新星的观测不仅是引力波天文的重要组成部分,还有助于解决“超铁元素的起源”这一现代宇宙物理学领域的重大科学问题。自2017年首次探测到引力波与千新星成协事件后,国际上对千新星的搜寻热情空前高涨,国际上8-10米级望远镜VLT、Keck、GTC, 4米级望远镜DES、WHT 等都投入大量时间进行千新星的搜索。目前LIGO/Virgo的O3运行期已过半,但尚未发现与引力波事件/千新星成协事例。考虑到国内在千新星探测设备方面与国际上存在巨大差距,中国和意大利科学家组成的国际团队另辟蹊径,通过对一些“已可公开获取的短暴的历史数据”的系统分析来证认引力波事件光学对应体。

  该团队的最新研究对象为短暴GRB 070809,该团队通过研究发现,与其它短暴相比,GRB 070809有着最软的光学辐射和最硬的X射线谱(图1)。更引人注目的是,其光学波段的流量显著高于X射线能谱的自然延伸,也就是说光学波段包含着一个显著的新能谱成分。这个能谱极软的光学辐射超出成分在流量和能谱上都与千新星的黑体辐射一致。此前发现的千新星(候选体)都发生在宿主星系中或边缘,此次是首次在宿主星系外面发现千新星信号,意味着产生GRB 070809的双中子星系统具有较高的“踢出速度”(kick velocity)或者是很长的并合时标。此外,GRB 070809千新星信号的出现时间显著早于此前的千新星候选体,这表明即使对于明亮的伽马射线暴,也可以在早期余辉数据中发现千新星信号并及时组织大口径望远镜进行后续观测。这对于详细研究与红移较高处的短伽玛暴相伴随的千新星具有重要意义。

  该团队还统计了现阶段具有红移测量的千新星(及候选体)的性质,发现早期千新星辐射区的温度及速度有较宽的分布范围(见图2),表明千新星的早期辐射起源可能有多种。对于晚期千新星辐射,研究发现温度很可能是个常数(~2500 K),意味着辐射区含有大量的“超铁”元素,强烈支持宇宙中“超铁”元素的中子星并合起源的观点。这些结果都有助于揭示双中子星并合的相关物理过程(例如并合后中心产物的性质,外流体的速度、空间分布等)。