[논문 리뷰] What powered AT2017gfo associated with GW170817

Shao-Ze Li, Liang-Duan Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 18.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 2

한 줄 요약

논문은 GW170817와 연관된 광학적 순간변이체 AT2017gfo가 단지 r-과정 방사성 붕괴에 의해만 공급되는 에너지가 아니라, 장수명의 중성자별 잔여물에 의한 에너지 주입에 의해 공급된다고 제안한다. 이 모델은 수치 시뮬레이션에서 유도된 탈출질량과 투과도와 일관되게 초기 및 후기 발광 성분을 설명하며, 융합 후 형성된 초질량, 저자기장 중성자별을 시사한다.

ABSTRACT

The groundbreaking discovery of the optical transient AT2017gfo associated with GW170817 opens a unique opportunity to study the physics of double neutron star mergers. We argue that the standard interpretation of AT2017gfo as being powered by r-process radioactive decay faces the challenge of simultaneously accounting for the peak luminosity and peak time of the event, since it is not easy to achieve the required high mass, and especially the low opacity of the ejecta required to fit the data. A plausible solution would be to invoke an additional energy source, which is probably provided by the merger product. We consider energy injection from two types of the merger products: (1) a post-merger black hole powered by fallback accretion; and (2) a long-lived neutron star (NS) remnant. The former case can only account for the early emission of AT2017gfo, with the late emission still powered by radioactive decay. In the latter case, both early and late emission components can be well interpreted as due to energy injection from a spinning-down NS, with the required mass and opacity of the ejecta components well consistent with known numerical simulation results. We suggest that there is a strong indication that the merger product of GW170817 is a long-lived (supra-massive or even permanently stable), low magnetic field NS. The result provides a stringent constraint on the equations of state of NSs.

연구 동기 및 목표

• 표준 r-과정 붕괴 모델 하에서 AT2017gfo의 최대 휘도와 최대 휘도 시점의 모순을 해결하기 위해.
• 융합 잔여물에서 추가적인 에너지원이 관측된 광선곡선을 더 잘 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 융합 후 생성물인 후기 블랙홀에 대한 재분사 응축과 장수명 중성자별을 에너지원으로서의 가능성 평가하기 위해.
• 탈출질량과 투과도에 대한 관측 제약 조건을 이용해 중성자별 잔여물의 성질을 제약하기 위해.
• 유도된 잔여물 성질을 바탕으로 중성자별 상태방정식에 대한 엄격한 제약을 제공하기 위해.

제안 방법

• 장수명 중성자별 잔여물의 감속에 의해 공급되는 에너지 주입을 주요 원천으로 하여 AT2017gfo의 광선곡선을 모델링하기 위해.
• 중성자별 감속에 의해 예측된 광선곡선을 다중 대역의 관측 광학 데이터와 비교하기 위해.
• 중성자별 융합 시뮬레이션에서 도출된 탈출질량과 투과도 값을 이용해 모델 파rameter를 제약하기 위해.
• 후기 블랙홀에 대한 재분사 응축 시나리오를 평가하고 초기 발광만을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 중성자별 모델이 관측된 최대 시점, 최대 휘도 및 스펙트럼 진화와 일관된지 평가하기 위해.
• 관측된 저투과도와 필요한 탈출질량을 적용해 잔여물의 성질, 예를 들어 자기장 강도와 수명을 유추하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 필요한 탈출질량과 투과도를 고려할 때, 관측된 AT2017gfo의 광선곡선이 단지 r-과정 방사성 붕괴로 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ2 장수명 중성자별 잔여물에 의한 에너지 주입이 표준 방사성 붕괴보다 전체 광선곡선에 더 잘 맞는가?
• RQ3 관측된 발광은 융합 잔여물의 성격—특히 수명과 자기장 강도—에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 휘도와 최대 시점은 중성자별 융합 시뮬레이션의 맥락에서 탈출질량과 투과도를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 자료는 초질량 중성자별의 안정성과 최대 질량에 관해 중성자별 상태방정식에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 표준 r-과정 붕괴 모델은 탈출질량과 투과도에 대한 상반된 요구 조건으로 인해 AT2017gfo의 최대 휘도와 최대 시점 둘 다를 동시에 재현하는 데 어려움을 겪는다.
• 후기 블랙홀에 대한 재분사 응축에 의한 에너지 주입은 초기 발광만을 설명할 수 있으며, 후기 성분은 설명하지 못한다.
• 장수명 중성자별 잔여물은 감속에 의해 공급되는 에너지 주입을 통해 초기 및 후기 발광 성분을 일관되게 설명할 수 있다.
• 중성자별 모델에서 요구되는 탈출질량과 투과도는 중성자별 융합 수치 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다.
• 자료는 융합 잔여물이 초질량 또는 영구적으로 안정된 중성자별이며, 저자기장임을 강하게 시사한다.
• 이 결과는 장수명의 거대 중성자별을 지지하는 강한 상태방정식을 선호하는 엄격한 제약을 중성자별 상태방정식에 제공한다.