[論文レビュー] Non-LTE analysis for Helium and Strontium lines in the kilonova AT2017gfo

Yuta Tarumi, Kenta Hotokezaka+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、非-LTE効果が放射性 ionization によって引き起こされる He I 10833 Å と Sr II 三重項線の形成を AT2017gfo でモデル化し、ejecta 質量の 0.2% の He が 8000 Å 特徴を再現可能であること、Sr II も ≈ 1% 質量分率で再現可能であることを示し、時間依存的な挙動を示す。

ABSTRACT

Kilonova spectra imprint valuable information about the elements synthesized in neutron star mergers. In AT2017gfo, the kilonova associated with GW170817, the spectroscopic feature centered around 8000 angstroms has been interpreted as the P-Cygni profile arising from singly ionized Strontium. Recently, Perego et al. (2022) suggested that Helium 10833 line can be an alternative explanation of the feature. Here, we study the line features under non-local thermodynamic equilibrium. We find that the ionization of ejecta by the stopping of radioactive decay product can significantly enhance the ionization states around the line forming region. We compute the kilonova spectrum under the assumption of spherical symmetry and uniform elemental fraction in the line-forming region. We find that 0.2\% (in mass) of Helium in the ejecta can reproduce the P-Cygni feature in the observed spectrum at $1.43$ -- $4.40$ days. Strontium with a mass fraction of $1\%$ is also able to make the absorption feature at $\sim 1.5\,$days, but it gets weaker with time due to ionization by radioactive decay products. The strength of the He line signature depends sensitively on UV strength for the first two epochs. Further modeling of UV line blanketing by $r$-process elements and the optical properties of light $r$-process elements would be crucial to distinguish between Helium and Strontium features. The mass fraction of He is a good indicator for ejecta entropy that allows us to probe the mass ejection mechanism.

研究の動機と目的

• AT2017gfo の顕著な 8000 Å 特徴を非-LTE 条件下で He I 10833 Å または Sr II 線が説明できるかを調査する。
• 放射性崩壊による非熱的イオン化が、キロノヴァ噴出物のイオン化平衡と準位集団にどのように影響するかを評価する。
• 単純な球状・一様混合の線形成領域における He および Sr の質量分率を用いて、観測スペクトルを時期ごとに再現するのに必要な条件を決定する。
• UV 線ブランケットと噴出物のエントロピーが、He と Sr を特徴のキャリアとして識別する能力にどのように影響するかを探る。
• スペクトル特徴から導かれる噴出物質量および放出機構の制約に対する含意を評価する。

提案手法

• 非熱イオン化、自発・誘導遷移、衝突を含む He I および Sr II 準位集団の速度方程式を解く。
• 固定光源と黒体連続を用いた膨張的等方性噴出物における Sobolev 光学深さと線形成を計算する。
• 線形成領域を球対称かつ He・Sr の分率を一様と仮定し、時期ごとに光球速度と温度を調整してスペクトルを適合させる。
• エネルギー準位と遷移確率には NIST 原子データを用い、線の閉塞には Sobolev 逃走確率を採用する。
• Spencer-Fano の非熱イオン化速度を取り入れて、イオン化平衡と準位集団を推定する。
• 噴出物の光球と線形成殻をドップラーシフトにより統合して外部スペクトルをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非 LTE 条件下で He I 10833 Å のみが AT2017gfo の 8000 Å P-Cygni 特徴を再現できるか。
• RQ2 Sr II 三重項線は吸収特徴を再現できるか、イオン化変化に伴い時刻とともに強さがどう変化するか。
• RQ3 放射性崩壊由来の非熱電子がイオン化平衡とそれによる線強度をどのように変えるか。
• RQ4 単純な一様噴出幾何学を前提とした場合、異なる時期で観測と一致させるにはどの He および Sr の質量分率が必要か。
• RQ5 He と Sr を特徴キャリアとして識別するために必要な追加要因（例：UV 線ブランケット）は何か。

主な発見

• 噴出物中の質量比 0.2% のヘリウムは、 merger から 1.43–4.40 日の間に観測された 8000 Å の P-Cygni 特徴を再現できる。
• ストロンチウムを質量比 1% にすると、約 1.5 日頃の吸収特徴を再現できるが、放射性崩壊生成物によるイオン化で時間とともに強度が弱まる。
• 非-LTE 効果、特に放射性崩壊由来の非熱イオン化は、初期時刻における He I 2^3S 集団とそれに伴う線強度に大きく影響する。
• Sr II の線強度は、再結合速度の低下と過イオン化効果により He I より早く減少し、後期時期には一部モデルでより高い Sr 質量が必要となる。
• UV 線ブランケットと軽い r-過程元素の光学特性は、キロノヴァスペクトルにおける He 対 Sr の識別の鍵となる。
• He 質量分率は噴出物のエントロピーの指標として機能し、質量放出機構の制約を与える。