[논문 리뷰] CDF-S XT1: The off-axis afterglow of a neutron star merger at $z=2.23$

Nikhil Sarin, G. Ashton외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 천문학적 깊이 필드-남쪽에서 관측된 빠르게 상승하는 X선 비열전이체인 CDF-S XT1이 적색편이 $z=2.23$에서 발생한 이진 중성자별 융합의 비축방향 후광임을 제안한다. 원자료 광자 수 계수 데이터에 적합된 구조적 측기 모델을 사용하여, 저자들은 관측 각도 $ heta_{ extrm{obs}}=10^\circ\pm3^\circ$와 코어 제트의 반개구역 $ heta_{ extrm{core}}=4.4^\circ\pm0.9^\circ$를 추정하였으며, 이는 단기 감마선 폭발의 후광과 일치하여, 현재까지 관측된 바에서 가장 거리가 먼 이와 같은 사건임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CDF-S XT1의 모호한 기원을 규명하기 위해, 천문학적 깊이 필드-남쪽에서 관측된 빠르게 상승하는 비열전이성 X선 전이체의 기원을 밝히는 것.
• 이 전이체가 단기 감마선 폭발의 고립 후광으로서의 비축방향 상대론적 제트 후광 모델로 설명될 수 있는지 테스트하는 것.
• X선 광자 도착 시간과 다중 파장 비검출 자료를 사용하여 소스의 관측 각도, 제트 구조 및 에너지 특성을 결정하는 것.
• 초신성 충격 붕괴, 간섭 흡수 사건, 밀리초 마그네타르 방출과 같은 대체 가설을 배제하는 것.
• 고적색편이에서 발생한 중성자별 융합의 의미를 항성 진화, 핵합성 및 중력파 천문학에 대해 평가하는 것.

제안 방법

• 저자들은 천문학적 깊이 필드-남쪽에서 관측된 CDF-S XT1의 115개 X선 광자들을 0.3–7 keV 대역에서 분석하였으며, 천체망원경 천체망원경에서 확보한 원자료 광자 도착 시간을 사용하였다.
• 이들은 변동하는 제트 개구역과 러너츠 인자와 함께 상대론적 제트 후광 모델을 사용하는 새로운 피팅 방법을 적용하였다.
• 모델은 상대론적 빛의 집중 효과를 포함하며, 제트가 간성간 매질과 상호작용함에 따라 시간에 따라 변화하는 감속을 고려한다.
• 베이지안 추론을 사용하여 관측자 관측 각도, 코어 제트 반개구역, 배경 밀도 등의 매개변수를 제약하며, 68% 신뢰구간을 제공한다.
• 다중 파장 비검출 자료(광학, 전파)와 비열전이성 X선 스펙트럼(광자 지수 $\gamma \approx 1.43$)을 제약 조건으로 통합하였다.
• 베이지안 오즈를 사용하여 구조적 제트 모델을 다른 모델들(예: 초신성 충격 붕괴, 간섭 흡수, 마그네타르 방출)과 비교하여 모델 선호도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDF-S XT1의 X선 광도 곡선과 스펙트럼 특성은 단기 감마선 폭발의 비축방향 후광으로서의 상대론적 제트 후광 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ2 소스의 관측 각도와 제트 구조 매개변수는 무엇이며, GRB170817A와 같은 알려진 사건과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ3 광학 및 전파 대역에서의 관측 비검출은 비축방향 후광 모델과 일치하는가, 아니면 다른 설명을 지지하는가?
• RQ4 CDF-S XT1의 적색편이 추정치인 $z=2.23$와 그 특성들이 이중 중성자별 융합 기원을 다른 전이체 메커니즘보다 지지하는가?
• RQ5 고적색편이에서 중성자별 융합을 관측하는 것이 항성 형성률, 핵합성 및 중력파 탐지 빈도에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• CDF-S XT1는 단기 감마선 폭발에서 비롯된 상대론적 구조적 제트 후광으로서 가장 잘 설명되며, 관측 각도는 $\theta_{\textrm{obs}}=10^\circ\pm3^\circ$이다.
• 초고속 상대론적 제트의 코어는 반개구역이 $\theta_{\textrm{core}}=4.4^\circ\pm0.9^\circ$로, 단기 감마선 폭발 제트의 구조와 일치한다.
• 베이지안 오즈는 비축방향 후광 모델이 잘린 제트 모델보다 약 3.3배 우월하다고 평가한다.
• 광학 및 전파 대역에서의 비검출과 비열전이성 X선 스펙트럼은 초신성 충격 붕괴나 간섭 흡수 사건과 같은 대체 모델과 일치하지 않는다.
• 추정된 적색편이 $z=2.23$는 CDF-S XT1가 현재까지 관측된 바에서 가장 거리가 먼 중성자별 융합 중 하나임을 시사하며, 고적색편이에서의 이중 중성자별 융합 빈도에 대한 기존 모델을 도전한다.
• 이 탐지 결과는 이중 중성자별 융합이 이른 우주에서 더 높은 빈도로 발생할 수 있음을 시사하며, r-과정 핵합성 및 중력파 천문학에 중요한 영향을 미친다.