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紫台学者在GRB 050709中发现巨新星 (引力波电磁对应体)
2016-09-25| 【 【打印】【关闭】

  引力波探测器LIGO/Virgo的主要观测对象除业已探测到的双黑洞并合事件(例如GW150914)外还包括中子星并合事件,也就是“双中子星的并合”或者是“恒星级质量黑洞与中子星的并合”。中子星并合过程不但会发射出强的引力波辐射,还伴随剧烈的电磁辐射,也就是所谓的引力波电磁对应体。其中一类引人瞩目的引力波电磁对应体是Li-Paczynski macronova(巨新星),它源自中子星并合过程中的抛射物通过快中子俘获过程产生的重元素的放射性衰变,由我国科学家李立新教授与他的合编辑于1998年首次预言。现在普遍认为持续时标短于2秒的伽玛暴(简称短暴;持续更久的称为长暴)来自于中子星并合,是探测巨新星的理想场所。与几乎只能在极窄的喷流方向上才能探测到的短暴不同,引力波与巨新星信号可以在极宽的角度范围内被探测到,因此巨新星与引力波事件的成协性将更为普遍(见图1)。

图1. 短暴或长短暴、引力波信号、macronova信号的关联性示意图

  2013年英国天文学家在短暴GRB 130603B的余辉中发现了Li-Paczynski巨新星的迹象(主要证据是哈勃望远镜HST的一个观测点)。2014年紫金山天文台领衔成立了国际工作组来系统分析处理过去10年内的短暴的余辉数据以证认Li-Paczynski巨新星。2015年他们取得重要突破,首次在长短暴 (GRB 060614:该暴同时具有长暴和短暴的一些特征)的余辉中发现了巨新星,并首次得到了巨新星的多波段光变曲线。相关工作相继发表在《自然通讯》(Nature Communications,见http://adsabs.harvard.edu/abs/2015NatCo...6E7323Y)和《天体物理杂志快报》(ApJL,见http://adsabs.harvard.edu/abs/2015ApJ...811L..22J)上,引发广泛关注。

  随后该团队把GRB 050709作为突破口。GRB 050709是人类首次探测到光学对应体的短暴,该光学信号一直被说明为伽玛暴的喷流在星际空间运动产生的余辉辐射。金志平等人对甚大望远镜VLT、HST数据的系统分析颠覆了这一结论。他们发现VLT在伽玛暴结束后2.5天处测得的能谱与余辉模型显著不同,而与巨新星信号一致,可以被将来的观测进一步检验,一旦得到验证,将是中子星并合过程合成重元素的观测证据。他们的分析表明,GRB 050709的光学辐射自2.5天起就由巨新星成分主导,并且该暴很可能由一个中子星与黑洞的双星系统的并合产生 (见图2)。从GRB050709和GRB060614中得到的巨新星光变曲线非常一致,可以作为搜寻引力波事件对应体巨新星的输入模板,引导引力波电磁对应体的搜寻、观测工作。金志平等人还首次对巨新星与短暴/长短暴的关联性进行了统计分析,发现每个短暴/长短暴很可能都伴随着一个巨新星。这表明巨新星普遍存在,是引力波事件的极佳电磁辐射对应体。

图2. (a) GRB 050709的光学辐射; (b) GRB 050709光学辐射扣除余辉成分后留下的“奇异”信号与“中子星黑洞并合模型预期的巨新星辐射”的比较; (c) 2.5天处的“奇异”能谱与一个巨新星模型预言的比较。图取自Jin et al. (2016).

  该项研究工作由中国、意大利、以色列、日本的专家合作完成,主要得到科技部973计划(尤其是青年科学家专题项目)、国家自然科学基金(尤其是杰青、重点、中以合作项目)、中国科学院国际重点合作项目及B类先导专项的资助,已在《自然通讯》正式发表(http://www.nature.com/articles/ncomms12898)。

 
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