[论文解读] A line-smeared treatment of opacities for the spectra and light curves from macronovae

Christopher J. Fontes, Chris L. Fryer+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用 22

一句话总结

本文為超新星殘骸引入了一種線譜展寬的消光係數處理方法，以頻率依賴的消光係數取代傳統的膨脹消光近似，並保持總消光係數面積不變。利用r過程元素（Ce、Nd、Sm、U）的全相對論與半相對論原子結構計算，發現消光係數比以往模型高1至2個數量級，導致光曲線更暗、更紅，峰值出現在中紅外波段——表示超新星殘骸的探測難度比先前認為的更高。

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.

研究动机与目标

• 修正在Sobolev框架下因膨脹消光近似所導致的超新星殘骸消光係數計算不準確問題。
• 研究更真實的線譜展寬消光係數對中子星合併噴出物光譜與光曲線建模的影響。
• 評估原子物理假設（如相對論效應與電子組態相互作用）對r過程元素輻射的影響。
• 評估這些改進的消光係數對重力波源電磁波後續觀測（特別是紅外波段）的影響。

提出的方法

• 採用線譜展寬消光係數方法，保持消光係數在頻率上的積分不變，使用面積保不變的譜線輪廓，而非多普勒展寬近似。
• 利用全相對論與半相對論原子結構方法，以不同層次的電子組態相互作用，計算四種r過程元素（Ce、Nd、Sm、U）的消光係數。
• 對三維合併模擬進行多維射線追蹤，以計算噴出物的出射光譜與光曲線。
• 將線譜展寬消光係數的結果與標準膨脹消光形式（Sobolev近似）在光度與譜能量分佈方面進行比較。
• 使用修改後的星等公式：$ m_{AB} = -2.5\log_{10}(L/(4\pi d^2)) - 48.6 $，其中 $ d = 200\,\text{Mpc} $，以產生觀測者友好的星等光曲線。
• 透過改變參數測試對噴出物質量與伽馬射線沉積的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 線譜展寬消光係數與膨脹消光近似在星等與頻率依賴性方面有何差異？
• RQ2 原子結構計算中的相對論效應與電子組態相互作用對超新星殘骸輻射特性有何影響？
• RQ3 使用真實的頻率依賴消光係數與簡化的灰消光或多普勒展寬近似時，所得光譜與光曲線有何差異？
• RQ4 與先前模型相比，新消光係數在多大程度上使峰值光度向更長波長移動並降低整體亮度？
• RQ5 這些結果對重力波觸發後的超新星殘骸探測後續行動有何觀測意義？

主要发现

• 線譜展寬消光係數比Sobolev框架下使用膨脹消光近似計算出的結果大1至2個數量級。
• 採用線譜展寬消光係數的模擬顯示光度略低，峰值出現在中紅外波段，與先前模型相比發射譜線向紅端移動。
• 所有測試的原子物理模型——包括全相對論與半相對論、不同電子組態相互作用程度——均產生比先前估計更暗、更紅的超新星殘光曲線。
• 與使用膨脹消光係數的模型相比，紅外波段的峰值星等降低了約一個數量級。
• 結果表明，由最重的r過程元素驅動的超新星殘骸比先前認為的更難觀測，特別是在光學波段。
• 因此，紅外探測器對未來重力波事件的電磁波後續觀測至關重要，特別是針對以r過程元素為主的動態噴出物。