[논문 리뷰] Modelling the spectra of the kilonova AT2017gfo -- II: Beyond the photospheric epochs

J. H. Gillanders, Stuart Sim외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 26.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 광학적 표면을 넘어서 늦은 시기의 근적외선 스펙트럼을 모델링하여, 1.58 및 2.07 µm에서 관측된 방출 피크가 극도로 덩어리지고 광학적으로 두꺼운 방출 물질에서 기인할 가능성이 있음을 밝혀냈다. 스트론티움 이온(Sr ii), 라니움 삼가 이온(La iii), 세륨 삼가 이온(Ce iii), gadolinium 삼가 이온(Gd iii), radium 이온(Ra ii), actinium 이온(Ac i)이 스펙트럼 피크의 주요 후보로 지목되었으며, 이는 근적외선 및 중간적외선 대역에서 금지 전이에 대한 향상된 원자 데이터가 절실하게 필요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

Binary neutron star mergers are the first confirmed site of element nucleosynthesis by the rapid neutron-capture process (r-process). The kilonova AT2017gfo is the only electromagnetic counterpart of a neutron star merger spectroscopically observed. We analyse the entire spectral sequence of AT2017gfo (from merger to +10.4 days) and identify seven emission-like features. We confirm that the prominent 1.08 um feature can be explained by the Sr II near-infrared triplet evolving from a P-Cygni profile through to pure emission. We calculate the expected strength of the [Sr II] doublet and show that its absence requires highly clumped ejecta. Near-infrared features at 1.58 and 2.07 um emerge after three days and become more prominent as the spectra evolve. We model these as optically thick P-Cygni profiles and alternatively as pure emission features (with FWHM = 35600 +/- 6600 km/s), and favour the latter interpretation. The profile of the strong 2.07 um emission feature is best reproduced with two lines, centred at 2.059 and 2.135 um. We search for candidate ions for all prominent features in the spectra. Strong, permitted transitions of La III, Ce III, Gd III, Ra II and Ac I are plausible candidates for the emission features. If any of these features are produced by intrinsically weak, forbidden transitions, we highlight candidate ions spanning the three r-process peaks. The second r-process peak elements Te and I have plausible matches to multiple features. We highlight the need for more detailed and quantitative atomic line transition data.

연구 동기 및 목표

• 표준 복사전달 코드인 tardis가 붕괴하는 광학 표면 이후 단계에서 AT2017gfo의 스펙트럼 모델링을 연장하기 위함.
• 3.4일 이후 관측된 두드러진 근적외선 방출 피크의 물리적 기원을 규명하고, 이는 이전의 광학 표면 모델에서 재현되지 않았다.
• 특히 r-과정 핵합성과 관련된 관측된 방출 피크를 담당하는 후보 이온을 특정하여 방출 물질의 조성을 제약하기 위함.
• 현재 원자 데이터의 한계를 감안할 때, 근적외선 및 중간적외선 대역에서 약한 금지 전이를 식별할 수 있는지 가능성 평가 위함.
• 앞서 언급된 대역에서 금지 전이에 대한 향상된 실험적으로 校정된 원자 선 데이터—특히 근적외선 및 중간적외선 대역에서의 것—가 향후 킬로노바 스펙트럼 식별에 필수적임을 강조하기 위함.

제안 방법

• 초기 단계에서는 1차원 몬테카를로 복사전달 코드인 tardis를 사용하였고, 후기 단계 스펙트럼에는 경험적 피팅 및 프로파일 분석을 적용하였다.
• 1.58 µm 및 2.07 µm에서의 방출 피크에 대해 순수 방출 모델을 사용하여 세밀한 스펙트럼 피팅을 수행하였으며, FWHM ≈ 35,600 ± 6,600 km s⁻¹를 사용하였고, P-Cygni 프로파일보다 이를 선호하였다.
• 2.07 µm 피크를 2.059 µm 및 2.135 µm에서 두 개의 별개의 방출 선으로 모델링하여 프로파일 재현을 향상시켰다.
• 관측된 피크와 일치하는 가능성이 있는 전이를 찾기 위해 원자 데이터베이스(Chianti, Kurucz, DREAM, 및 자체 제작한 Pt/Au 데이터)를 체계적으로 검색하였다.
• 허용 전이와 금지 전이 모두를 탐색하였으며, 특히 r-과정 피크 원소(예: Te, I, Dy, Tb, Ir, Ac)의 전이 가능성을 평가하여 방출 원천으로서의 잠재력을 분석하였다.
• 선의 혼합과 방출 물질의 덩어리짐 현상의 영향을 평가한 결과, [Sr ii] 双중선의 부재를 설명하기 위해 덩어리짐이 필수적임을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.08 µm 피크가 P-Cygni 프로파일에서 순수 방출으로 변화하는 것은 Sr ii만으로 일관되게 설명될 수 있는가, 아니면 추가 종류의 원소가 필요한가?
• RQ2 3.4일 이후 관측된 넓은 방출 피크인 1.58 µm 및 2.07 µm 피크를 담당하는 가장 가능성 있는 이온 종류는 무엇인가?
• RQ3 특히 약한 금지 전이의 맥락에서, 관측된 방출 피크를 생성할 가능성이 높은 r-과정 원소와 이온화 상태는 무엇인가?
• RQ4 현재 원자 데이터의 한계—특히 근적외선 및 중간적외선 대역에서의 금지 전이에 대한 것—이 킬로노바에서 스펙트럼 선 식별의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 방출 물질 내에서의 선 혼합은 개별 종의 유일한 식별을 얼마나 방해하는가? 향후 중간적외선 관측은 이를 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 1.08 µm 피크는 P-Cygni 프로파일에서 순수 방출으로 변화하며, 이는 Sr ii로 가장 잘 설명되지만, Ra ii 및 Ac i도 타당한 대안이다.
• 1.58 µm 및 2.07 µm 방출 피크는 FWHM ≈ 35,600 ± 6,600 km s⁻¹의 순수 방출으로 가장 잘 모델링되며, 이는 P-Cygni 해석보다 유리하다.
• 2.07 µm 피크는 2.059 µm 및 2.135 µm에서 두 개의 별개의 방출 선으로 재현될 때 가장 잘 설명되며, 다수의 전이 기여 가능성을 시사한다.
• 1.23 µm 피크의 강력한 후보는 Ce iii이며, 약 1.40 µm 피크는 La iii, Ce iii, Gd iii, Ac i와 가장 잘 일치한다.
• [Sr ii] 이중선의 부재는 극도로 덩어리진 방출 물질이 필요함을 시사하며, 기대되는 강도가 스펙트럼에서 관측되지 않기 때문이다.
• Te 및 I는 여러 이온화 상태에서 다수의 가능성이 있는 전이를 가지며, 가장 유망한 r-과정 피크 원소이지만, 원자 데이터 부족으로 인해 확정적인 식별은 불가능하다.