[論文レビュー] CDF-S XT1: The off-axis afterglow of a neutron star merger at $z=2.23$

Nikhil Sarin, G. Ashton+4 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、チャンドラ深宇宙フィールド南（CDF-S）に位置する高速上昇型X線準定常源CDF-S XT1が、赤方偏移 $z=2.23$ の二重中性子星合体の非軸上後光である可能性を提唱している。生の光子カウントデータにフィットする構造化されたジェットモデルを用いて、観測者視角は $\theta_{\textrm{obs}}=10^\circ\pm3^\circ$、コアジェット半開口角は $\theta_{\textrm{core}}=4.4^\circ\pm0.9^\circ$ と推定され、短時間ガンマ線バースト（GRB）のジェット構造と整合的であり、これまでに観測された中で最も遠方の同種の事象である。

ABSTRACT

CDF-S XT1 is a fast-rising non-thermal X-ray transient detected by extit{Chandra} in the Deep-Field South Survey. Although various hypotheses have been suggested, the origin of this transient remains unclear. Here, we show that the observations of CDF-S XT1 are well explained as the X-ray afterglow produced by a relativistic structured jet viewed off-axis. We measure properties of the jet, showing that they are similar to those of GRB170817A, albeit at cosmological distances. We measure the observers viewing angle to be $θ_{ extrm{obs}} = 10^{\circ}\pm3^{\circ}$ and the core of the ultra-relativistic jet to be $θ_{ extrm{core}} = 4.4^{\circ}\pm0.9^{\circ}$, where the uncertainties are the $68\%$ credible interval. The inferred properties and host galaxy combined with Hubble, radio, and optical non detections favour the hypothesis that CDF-S XT1 is the off-axis afterglow of a binary neutron star merger. We find that other previously suggested hypotheses are unable to explain all properties of CDF-S XT1. At a redshift of $z=2.23$, this is potentially the most distant observed neutron star merger to date and the first orphan afterglow of a short gamma-ray burst. We discuss the implications of a binary neutron star merger at such a high redshift for the star-formation rate in the early Universe, the nucleosynthesis of heavy elements, and the prospect of identifying other off-axis afterglows.

研究の動機と目的

• CDF-S XT1の曖昧な起源を解明すること。これはチャンドラ深宇宙フィールド南で検出された高速上昇型非熱的X線準定常源である。
• この準定常源が短時間ガンマ線バーストのオーファン後光としての非軸上相対論的ジェット後光モデルで説明可能かどうかを検証すること。
• X線光子の到着時刻と多波長非検出結果を用いて、源の観測視角、ジェット構造、エネルギー放出を特定すること。
• 超新星衝撃波ブレイクアウト、潮汐破壊イベント、ミリ秒磁化星放射といった代替仮説を除外すること。
• 高赤方偏移における中性子星合体の結果が星形成率、核合成、重力波天文学に与える影響を評価すること。

提案手法

• 著者らは、チャンドラX線望遠鏡から得た0.3–7 keVバンドにおけるCDF-S XT1の115個のX線光子を、生の光子到着時刻を用いて分析した。
• 彼らは、変動するジェット開口角とローレンツ因子を伴う、構造化された相対論的ジェット後光モデルを用いた新しいフィッティング手法を採用した。
• モデルには相対論的ビーム効果が含まれており、ジェットが周囲空間密度と相互作用するに従い時間的に減速する過程も考慮している。
• ベイズ推論を用いて、観測者視角、コアジェット半開口角、周囲密度といったパラメータを制約し、68%信用区間を算出した。
• 多波長非検出結果（可視光、電波）と非熱的X線スペクトル（光子指数 $\gamma \approx 1.43$）を制約条件として統合した。
• ベイズオッズを用いて、構造化されたジェットモデルと代替モデル（例：超新星衝撃波ブレイクアウト、潮汐破壊、磁化星放射）を比較し、モデルの優位性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDF-S XT1のX線光曲線およびスペクトル的性質は、短時間ガンマ線バーストに起因する非軸上相対論的ジェット後光モデルで説明可能か？
• RQ2 源の推定された観測視角およびジェット構造パラメータは何か？ それらはGRB170817Aのような既知の事象とどのように比較できるか？
• RQ3 可視光および電波帯での非検出結果は、非軸上後光モデルと整合的か？ それとも代替説明を支持するか？
• RQ4 CDF-S XT1の赤方偏移推定値 $z=2.23$ に加え、その他の性質が、二重中性子星合体起源を他の準定常源メカニズムよりも支持するか？
• RQ5 極めて高い赤方偏移での中性子星合体の検出は、星形成率、rプロセス核合成、重力波検出率にどのような意味を持つのか？

主な発見

• CDF-S XT1は、短時間ガンマ線バーストに起因する構造化された相対論的ジェットの非軸上後光として最もよく説明される。観測視角は $\theta_{\textrm{obs}}=10^\circ\pm3^\circ$ である。
• 超相対論的ジェットのコア部の半開口角は $\theta_{\textrm{core}}=4.4^\circ\pm0.9^\circ$ であり、短時間ガンマ線バーストのジェット構造と整合的である。
• ベイズオッズでは、非軸上後光モデルが断ち切られたジェットモデルよりも約3.3倍の優位性を示した。
• 可視光および電波帯での非検出結果に加え、非熱的X線スペクトルは、超新星衝撃波ブレイクアウトや潮汐破壊イベントといった代替モデルと整合しない。
• 推定された赤方偏移 $z=2.23$ により、CDF-S XT1はこれまでに観測された中で最も遠方の中性子星合体の一つと位置づけられ、現在の高赤方偏移における二重中性子星合体率モデルに挑戦する。
• この検出結果は、二重中性子星合体が初期宇宙においてこれまで想定されてきたよりも高い頻度で発生している可能性を示唆し、rプロセス核合成および重力波天文学に影響を与える。