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    我國學者在引力波事件光學對應體研究方面取得重要進展

    日期 2019-10-16   來源:數理科學部   作者:劉強 金志平  【 】   【打印】   【關閉

    圖1 一些明亮短暴的早期光學、X射線能譜對比圖。注意AT2017gfo是與GW170817/GRB 170817A成協的千新星,具有黑體譜。與其它伽瑪暴相比,GRB 070809具有最軟的光學譜及最硬的X射線譜。GRB 070809的紅移z尚不確定,如果z=0.22,則其與AT2017gfo,GRB 160821B和GRB 061201的光學輻射譜頗為類似。如果z=0.47,則該千新星比同時期的AT2017gfo亮5倍左右

     

    圖2 已知紅移暴及GRB 070809中的千新星(候選體)的性質對比。L代表光度,Tintt’分別代表紅移修正后的溫度與時間,βΓ代表的是輻射區的速度(以光速為單位)。從圖可見,早期千新星的輻射區的溫度及速度可能有較寬的分布范圍

      在國家自然科學基金項目(批準號:11433009, 11525313, 11773078)的資助下,由中國科學院紫金山天文臺領導的一個國際合作團隊在短時標伽瑪射線暴(簡稱短暴)GRB 070809中新發現一例特殊的千新星候選體,研究成果以“A Kilonova Associated with GRB 070809”(與伽瑪暴070809成協的千新星)為題,于2019年10月7日發表在Nature Astronomy(《自然-天文學》)上,論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41550-019-0892-y 。

      千新星是由中子星并合過程拋射的超鐵(也就是比鐵重的)元素的放射性衰變所產生的紅外、光學暫現源,它的輻射大致是各向同性的,和引力波信號的成協率高。千新星的觀測不僅是引力波天文的重要組成部分,還有助于解決“超鐵元素的起源”這一現代宇宙物理學領域的重大科學問題。自2017年首次探測到引力波與千新星成協事件后,國際上對千新星的搜尋熱情空前高漲,國際上8-10米級望遠鏡VLT、Keck、GTC, 4米級望遠鏡DES、WHT 等都投入大量時間進行千新星的搜索。目前LIGO/Virgo的O3運行期已過半,但尚未發現與引力波事件/千新星成協事例。考慮到國內在千新星探測設備方面與國際上存在巨大差距,中國和意大利科學家組成的國際團隊另辟蹊徑,通過對一些“已可公開獲取的短暴的歷史數據”的系統分析來證認引力波事件光學對應體。

      該團隊的最新研究對象為短暴GRB 070809,該團隊通過研究發現,與其它短暴相比,GRB 070809有著最軟的光學輻射和最硬的X射線譜(圖1)。更引人注目的是,其光學波段的流量顯著高于X射線能譜的自然延伸,也就是說光學波段包含著一個顯著的新能譜成分。這個能譜極軟的光學輻射超出成分在流量和能譜上都與千新星的黑體輻射一致。此前發現的千新星(候選體)都發生在宿主星系中或邊緣,此次是首次在宿主星系外面發現千新星信號,意味著產生GRB 070809的雙中子星系統具有較高的“踢出速度”(kick velocity)或者是很長的并合時標。此外,GRB 070809千新星信號的出現時間顯著早于此前的千新星候選體,這表明即使對于明亮的伽馬射線暴,也可以在早期余輝數據中發現千新星信號并及時組織大口徑望遠鏡進行后續觀測。這對于詳細研究與紅移較高處的短伽瑪暴相伴隨的千新星具有重要意義。

      該團隊還統計了現階段具有紅移測量的千新星(及候選體)的性質,發現早期千新星輻射區的溫度及速度有較寬的分布范圍(見圖2),表明千新星的早期輻射起源可能有多種。對于晚期千新星輻射,研究發現溫度很可能是個常數(~2500 K),意味著輻射區含有大量的“超鐵”元素,強烈支持宇宙中“超鐵”元素的中子星并合起源的觀點。這些結果都有助于揭示雙中子星并合的相關物理過程(例如并合后中心產物的性質,外流體的速度、空間分布等)。




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