[論文レビュー] The emergence of a new source of X-rays from the binary neutron star merger GW170817

A. Hajela, R. Margutti+34 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、GW170817二重中性子星合体から900日以上経過した後に、新たなX線放射成分が出現することを示しており、1234日における全波長放射度は約5×10³⁸ erg s⁻¹に達し、非軸対称ジェットモデルの予測を3.5–4.3σ上回っている。この過剰放射は、高速な噴出物質に由来するやや相対論的であるがゆえの衝撃波によって駆動されるキロノーバ後光と整合的であり、即時的ブラックホール形成ではなく、長寿命の中性子星残渣が存在することを示唆している。

ABSTRACT

The binary neutron-star (BNS) merger GW170817 is the first celestial object from which both gravitational waves (GWs) and light have been detected enabling critical insight on the pre-merger (GWs) and post-merger (light) physical properties of these phenomena. For the first $\sim 3$ years after the merger the detected radio and X-ray radiation has been dominated by emission from a structured relativistic jet initially pointing $\sim 15-25$ degrees away from our line of sight and propagating into a low-density medium. Here we report on observational evidence for the emergence of a new X-ray emission component at $\delta t>900$ days after the merger. The new component has luminosity $L_x \approx 5 imes 10^{38} m{erg s^{-1}}$ at 1234 days, and represents a $\sim 3.5\sigma$ - $4.3\sigma$ excess compared to the expectations from the off-axis jet model that best fits the multi-wavelength afterglow of GW170817 at earlier times. A lack of detectable radio emission at 3 GHz around the same time suggests a harder broadband spectrum than the jet afterglow. These properties are consistent with synchrotron emission from a mildly relativistic shock generated by the expanding merger ejecta, i.e. a kilonova afterglow. In this context our simulations show that the X-ray excess supports the presence of a high-velocity tail in the merger ejecta, and argues against the prompt collapse of the merger remnant into a black hole. However, radiation from accretion processes on the compact-object remnant represents a viable alternative to the kilonova afterglow. Neither a kilonova afterglow nor accretion-powered emission have been observed before.

研究の動機と目的

• GW170817二重中性子星合体から900日以上経過した後の後光において、新たなX線放射成分が出現しているかどうかを特定・特徴付けること。
• 観測されたX線過剰放射が、キロノーバ後光か、あるいは降着による放射など代替の放射メカニズムと整合的かどうかを特定すること。
• 新たな放射成分が合体残渣の性質に与える影響を評価すること、特に合体直後にブラックホールに崩壊したか、それとも中性子星として持続したかを明らかにすること。
• 多波長後光モデル化を用いて、特に高速な成分を含む合体噴出物質の性質を制約すること。
• キロノーバ後光と降着駆動放射との間で、どちらがX線過剰放射の原因であるかを区別すること。なお、両者とも以前に観測されたことがない。

提案手法

• 900日以降のX線光曲線をX線望遠鏡の観測データから分析し、非軸対称ジェット後光モデルからのずれを検出すること。
• 900日までに取得された多波長データ（電波、X線、可視光）にフィットした非軸対称ジェットモデルの予測と、観測されたX線放射度を比較すること。
• ジェットモデルからのX線過剰放射を、3.5–4.3σの有意水準で統計的に評価し、その信頼性を検証すること。
• スペクトルモデリングを用いて全バンドスペクトルを推定し、3 GHzでの電波放射が検出されないことは、ジェット後光が想定するよりも硬いX線スペクトルである可能性を示唆している。
• 高速な噴出物質が駆動するやや相対論的衝撃波によるキロノーバ後光放射をシミュレーションし、観測されたX線放射度とタイミングと整合的かどうかを評価すること。
• 降着駆動放射など代替モデルを検討し、電波放射が検出されない状況下でX線過剰放射を説明できるかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW170817合体後、900日を過ぎた後光において新たなX線放射成分が出現するか？
• RQ2 観測されたX線過剰放射が、高速な噴出物質に由来するやや相対論的衝撃波によるキロノーバ後光と整合的か？
• RQ3 X線過剰放射は、合体残渣の性質にどのような示唆を与えるか。具体的には、合体直後にブラックホールに崩壊したか、それとも中性子星として残存したか？
• RQ4 3 GHzでの電波放射が検出されないことは、新たなX線成分のスペクトル的性質と放射メカニズムにどのような制約を課えるか？
• RQ5 降着駆動放射が、観測されたX線過剰放射を説明できるか、それともキロノーバ後光モデルがより妥当な解釈か？

主な発見

• GW170817合体からδt > 900日後に新たなX線放射成分が出現し、1234日における放射度は約5×10³⁸ erg s⁻¹であった。
• X線過剰放射は、900日までのデータにフィットした非軸対称ジェット後光モデルの予測を3.5σから4.3σの有意水準で上回っている。
• 3 GHzでの電波放射が検出されないことは、ジェット後光が想定するスペクトルよりも硬い全バンドスペクトルである可能性を示唆し、非ジェット起源を支持する。
• X線過剰放射は、拡張する合体噴出物質に駆動されるやや相対論的衝撃波によるシンクロtron放射と整合的であり、キロノーバ後光を示唆している。
• シミュレーションの結果、X線過剰放射は噴出物質に高速成分の尾部が存在することを支持しており、合体残渣が即時的ブラックホールに崩壊したとは考えにくい。
• キロノーバ後光および降着駆動放射は、以前に中性子星合体の後光で観測されたことがなく、本研究がこれら成分の初回観測である。