[논문 리뷰] A line-smeared treatment of opacities for the spectra and light curves from macronovae

Christopher J. Fontes, Chris L. Fryer외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 09.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 4인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 매크로노바에 대해 선-스메어드 투과도 처리를 도입하여, 기존의 팽창-투과도 근사법을 주파수 의존성 투과도로 대체함으로써 총 투과도 면적을 유지한다. r-과정 원소(Ce, Nd, Sm, U)에 대해 완전하고 반상대론적 원자 구조 계산을 수행한 결과, 이전 모델보다 투과도가 1~2개 항목 높게 나타나, 빛의 세기와 색이 어두워지고 피크가 중간 적외선 영역으로 이동하는 빛의 세기 곡선을 유도한다—이는 매크로노바가 이전에 생각했던 것보다 감지하기 어려울 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Gravitational wave observations need accompanying electromagnetic signals to accurately determine the sky positions of the sources. The ejecta of neutron star mergers are expected to produce such electromagnetic transients, called macronovae. Characteristics of the ejecta include large velocity gradients and the presence of heavy $r$-process elements, which pose significant challenges to the accurate calculation of radiative opacities and radiation transport. For example, these opacities include a dense forest of bound-bound features arising from near-neutral lanthanide and actinide elements. Here we investigate the use of fine-structure, line-smeared opacities that preserve the integral of the opacity over frequency, which is an alternative approach to the expansion-opacity formalism. The use of area-preserving line profiles produces frequency-dependent opacities that are one to two orders of magnitude greater than those obtained with the use of expansion opacities in the Sobolev approximation. Opacities are calculated for four $r$-process elements (cerium, neodymium, samarium and uranium) using fully and semi-relativistic methods, as well as different amounts of configuration interaction in the atomic structure, in order to test the sensitivity of the emission to the underlying atomic physics. We determine the effect of these new opacities on simulated spectra and broad-band light curves by applying a multi-dimensional ray-trace method to the ejecta predicted from 3-dimensional merger calculations. With our substantially larger opacities the simulations yield slightly lower luminosities that peak in the mid-IR. These results suggest that those radioactively powered transients that are related to the very heaviest $r$-process material are more difficult to observe than previously believed.

연구 동기 및 목표

• 소볼레프 프레임워크 내에서 팽창-투과도 근사법으로 인해 발생하는 매크로노바의 투과도 계산 오류를 해결한다.
• 중성자별 융합 잔여물의 스펙트럼 및 빛의 세기 곡선 모델링에 대해 더 현실적인 선-스메어드 투과도의 영향을 조사한다.
• 원자 물리학적 가정—예를 들어 상대론적 효과와 구성 상호작용—이 r-과정 원소에서의 탈출 방사선에 미치는 영향을 평가한다.
• 이러한 향상된 투과도가 중력파 소스의 전자기적 후속 관측, 특히 적외선 대역에서의 영향을 평가한다.

제안 방법

• 주파수에 대한 투과도 적분을 유지하는 선-스메어드 투과도 방법을 사용하여, 도플러 폭발 근사 대신 면적 보존 선 프로파일을 사용한다.
• Ce, Nd, Sm, U의 네 가지 r-과정 원소에 대해, 다양한 수준의 구성 상호작용을 고려한 완전하고 반상대론적 원자 구조 방법을 사용해 투과도를 계산한다.
• 3차원 융합 시뮬레이션에 다차원 광선 추적을 적용하여 잔여물에서의 탈출 스펙트럼과 빛의 세기 곡선을 계산한다.
• 선-스메어드 투과도를 사용한 결과를 표준 팽창-투과도 형식(Sobolev 근사)과 비교하여 빛의 세기와 스펙트럼 에너지 분포 측면에서 평가한다.
• 관측자 우호적인 magnitude 빛의 세기 곡선을 얻기 위해 수정된 빛의 세기 magnitude 공식을 사용한다: $ m_{AB} = -2.5\log_{10}(L/(4\pi d^2)) - 48.6 $, $ d = 200\,\text{Mpc} $.
• 잔여물 질량과 감마선 에너지 부여에 대한 민감도를 시뮬레이션에서 이 변수들을 변화시켜 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선-스메어드 투과도는 주파수 의존성과 크기 측면에서 팽창-투과도 근사와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 원자 구조 계산에서 상대론적 효과와 구성 상호작용의 영향은 매크로노바 방출 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 주파수 의존성 투과도를 사용할 경우와 단순화된 회색 또는 도플러 폭발 근사와 비교했을 때, 결과 스펙트럼과 빛의 세기 곡선은 어떻게 다를까?
• RQ4 새로운 투과도는 이전 모델에 비해 피크 빛의 세기를 더 긴 파장으로 이동시키고 총 밝기를 어떻게 감소시키는가?
• RQ5 중력파 트리거 이후 매크로노바를 감지하는 데 있어 관측적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 선-스메어드 투과도는 소볼레프 프레임워크 내에서 팽창-투과도 근사로 계산된 것보다 1~2개 항목 높다.
• 선-스메어드 투과도를 사용한 시뮬레이션은 약간 낮은 빛의 세기와 중간 적외선 영역에서 피크를 보이며, 이전 모델에 비해 방출이 적색 방향으로 이동한다.
• 완전하고 반상대론적 원자 물리학 모델을 모두 테스트한 결과, 모든 경우에서 이전 추정보다 어두운 빛의 세기 곡선과 더 빨간색 스펙트럼을 유도한다.
• 적외선 대역에서의 피크 magnitude는 팽창 투과도를 사용한 모델에 비해 약 1개 항목 감소한다.
• 결과적으로, 가장 무거운 r-과정 원소에 의해 추진되는 매크로노바는 이전에 생각했던 것보다 관측하기 어려울 수 있음을 시사하며, 특히 옵티컬 대역에서 그러하다.
• 따라서 향후 중력파 사건의 전자기적 후속 관측을 위해서는 적외선 탐지기가 필수적일 것이다. 특히 r-과정 원소에 의해 지배되는 역동적 잔여물의 경우 더욱 그러하다.