[論文レビュー] A line-smeared treatment of opacities for the spectra and light curves from macronovae

Christopher J. Fontes, Chris L. Fryer+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、マクロノーヴァのためのラインスメアード透過率処理を導入し、Sobolev枠組みにおける伝統的な拡張透過率近似を、周波数依存の透過率に置き換える。この透過率は、透過率の全領域を保存する。rプロセス元素（Ce, Nd, Sm, U）の完全および準相対論的原子構造計算を用いて、透過率が従来のモデルと比較して1〜2桁高いことが判明。その結果、光度曲線は明るくならず、赤くなる傾向を示し、ピークは中赤外域に位置する。これは、マクロノーヴァが従来の予想よりも検出が難しい可能性を示唆する。

ABSTRACT

Gravitational wave observations need accompanying electromagnetic signals to accurately determine the sky positions of the sources. The ejecta of neutron star mergers are expected to produce such electromagnetic transients, called macronovae. Characteristics of the ejecta include large velocity gradients and the presence of heavy $r$-process elements, which pose significant challenges to the accurate calculation of radiative opacities and radiation transport. For example, these opacities include a dense forest of bound-bound features arising from near-neutral lanthanide and actinide elements. Here we investigate the use of fine-structure, line-smeared opacities that preserve the integral of the opacity over frequency, which is an alternative approach to the expansion-opacity formalism. The use of area-preserving line profiles produces frequency-dependent opacities that are one to two orders of magnitude greater than those obtained with the use of expansion opacities in the Sobolev approximation. Opacities are calculated for four $r$-process elements (cerium, neodymium, samarium and uranium) using fully and semi-relativistic methods, as well as different amounts of configuration interaction in the atomic structure, in order to test the sensitivity of the emission to the underlying atomic physics. We determine the effect of these new opacities on simulated spectra and broad-band light curves by applying a multi-dimensional ray-trace method to the ejecta predicted from 3-dimensional merger calculations. With our substantially larger opacities the simulations yield slightly lower luminosities that peak in the mid-IR. These results suggest that those radioactively powered transients that are related to the very heaviest $r$-process material are more difficult to observe than previously believed.

研究の動機と目的

• Sobolev枠組みにおける拡張透過率近似によって生じるマクロノーヴァの透過率計算の不正確さを是正すること。
• ニュートリノ星合体の噴出物のスペクトルおよび光度曲線モデリングに、より現実的でラインスメアードされた透過率が与える影響を調査すること。
• 相対論的効果や配置相互作用といった原子物理学的仮定が、rプロセス元素からの放射出力に与える影響を評価すること。
• これらの改良された透過率が、重力波源の電磁気的フォローアップに与える影響、特に赤外帯域における影響を評価すること。

提案手法

• 周波数にわたる透過率の積分を保存するラインスメアード透過率法を採用。ドーピラー幅拡張近似の代わりに、面積保存型ラインプロファイルを用いる。
• rプロセス元素4種（Ce, Nd, Sm, U）の透過率を、配置相互作用の程度を変化させた完全および準相対論的原子構造手法を用いて計算する。
• 3次元合体シミュレーションに多角的レイトラーシングを適用し、噴出物からの放射出力スペクトルおよび光度曲線を計算する。
• ラインスメアード透過率を用いた結果と、標準的な拡張透過率形式（Sobolev近似）との間で、光度およびスペクトルエネルギー分布を比較する。
• 観測者にやさしいマグニチュード光度曲線を得るため、修正されたマグニチュード光度式を用いる：$ m_{AB} = -2.5\log_{10}(L/(4\pi d^2)) - 48.6 $、ここで $ d = 200\,\text{Mpc} $ とする。
• 噴出物質量およびガンマ線エネルギーの沈殿量に依存する感度を、シミュレーションでこれらのパラメータを変化させることでテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラインスメアード透過率は、マグニチュードおよび周波数依存性において、拡張透過率近似と比べてどのように異なるか？
• RQ2 原子構造計算における相対論的効果および配置相互作用の効果が、マクロノーヴァ放射特性に与える影響は何か？
• RQ3 現実的で周波数依存の透過率を用いた場合と、簡略化されたグレーまたはドーピラー幅拡張近似を用いた場合とで、得られるスペクトルおよび光度曲線はどのように異なるか？
• RQ4 新しい透過率は、従来のモデルと比較して、ピーク光度を長波長側にどれほどシフトさせ、全体の明るさをどれほど低下させるか？
• RQ5 重力波トリガー後のフォローアップキャンペーンにおける、マクロノーヴァの観測的意味は何か？

主な発見

• ラインスメアード透過率は、Sobolev枠組みにおける拡張透過率近似で計算されたものと比較して、1〜2桁大きい値を示した。
• ラインスメアード透過率を用いたシミュレーションでは、光度がわずかに低く、ピークが中赤外域に位置し、従来のモデルと比較して赤方偏移した放射を示した。
• 完全および準相対論的で、配置相互作用の程度を変化させたすべての原子物理学的モデルが、従来の推定値よりも明るくならず、赤くなるマクロノーヴァ光度曲線を生成した。
• 赤外帯域におけるピークマグニチュードは、拡張透過率を用いたモデルと比較して約1桁小さくなった。
• 結果から、最も重いrプロセス元素によって駆動されるマクロノーヴァは、従来の予想よりも観測が困難である可能性が示唆された。特に光学帯域では顕著である。
• したがって、将来の重力波イベントの電磁気的フォローアップにおいて、赤外線検出器は不可欠となるだろう。特にrプロセス元素が支配する動的噴出物の観測に重要である。