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

Nikhil Sarin, G. Ashton+4 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 6被引用 6

一句话总结

本文提出，钱德拉深空南区快速上升的X射线暂现源CDF-S XT1，是红移 $z=2.23$ 处双中子星并合的非轴向余晖。通过将结构化喷流模型拟合至原始光子计数数据，作者推断出观测角为 $ heta_{ extrm{obs}}=10^ ext{ extdegree} ext{} ext{ extpm}3^ ext{ extdegree}$，核心喷流半开角为 $ heta_{ extrm{core}}=4.4^ ext{ extdegree} ext{} ext{ extpm}0.9^ ext{ extdegree}$，与短伽马射线暴的喷流结构一致，使其成为迄今观测到的最遥远此类事件。

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.

研究动机与目标

• 为解决在钱德拉深空南区探测到的快速上升非热X射线暂现源CDF-S XT1的起源模糊问题。
• 检验该暂现源是否可用非轴向相对论性喷流余晖模型解释，特别是作为短伽马射线暴的无伴余晖。
• 利用X射线光子到达时间及多波段无探测数据，确定源的观测角、喷流结构与能量特性。
• 排除超新星激波爆发、潮汐撕裂事件及毫秒磁星辐射等替代假设。
• 评估高红移中子星并合对恒星演化、核合成及引力波天文学的启示。

提出的方法

• 作者利用钱德拉X射线天文台提供的0.3–7 keV波段中115个X射线光子的原始光子到达时间，分析CDF-S XT1的X射线数据。
• 他们采用一种新拟合方法，使用具有可变喷流开角与洛伦兹因子的结构化相对论性喷流余晖模型来拟合暂现光 light curve。
• 该模型包含相对论性束射效应，并考虑喷流与星际介质相互作用导致的时间依赖减速。
• 利用贝叶斯推断约束参数，如观测者视角角、核心喷流半开角与周围介质密度，给出68%可信区间。
• 将多波段无探测数据（光学、射电）及非热X射线谱（光子指数 $\gamma \approx 1.43$）作为约束条件。
• 通过贝叶斯似然比比较结构化喷流模型与替代模型（如超新星激波爆发、潮汐撕裂、磁星辐射）的模型偏好度。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDF-S XT1的X射线光 light curve 及光谱特性是否可由短伽马射线暴的非轴向余晖模型解释？
• RQ2 该源的推断观测角与喷流结构参数为何？与GRB170817A等已知事件相比有何异同？
• RQ3 光学与射电波段的观测无探测结果是否与非轴向余晖模型一致？是否更支持其他解释？
• RQ4 结合CDF-S XT1的红移估计值 $z=2.23$ 及其物理特性，是否支持其为双中子星并合起源而非其他暂现机制？
• RQ5 在如此高红移探测到中子星并合，对恒星形成率、r-过程核合成及引力波探测率有何启示？

主要发现

• CDF-S XT1最合理的解释是短伽马射线暴的非轴向余晖，其观测角为 $\theta_{\textrm{obs}}=10^\circ\pm3^\circ$。
• 超相对论性喷流核心的半开角为 $\theta_{\textrm{core}}=4.4^\circ\pm0.9^\circ$，与短伽马射线暴喷流结构一致。
• 贝叶斯似然比显示，非轴向余晖模型相较于截断喷流模型的偏好度约为3.3倍。
• 光学与射电波段的无探测结果，结合非热X射线谱，与超新星激波爆发或潮汐撕裂事件等替代模型不一致。
• 推断的红移 $z=2.23$ 使CDF-S XT1成为迄今观测到的最遥远中子星并合事件之一，对当前高红移双中子星并合率模型构成挑战。
• 该探测表明，早期宇宙中双中子星并合的速率可能高于以往估计，对r-过程核合成及引力波天文学具有重要意义。