[论文解读] Evidence for a decreasing X-ray afterglow emission of GW170817A and GRB 170817A in XMM-Newton

P. D’Avanzo, S. Campana+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 13被引用 21

一句话总结

本研究基于XMM-Newton对GW170817A和GRB 170817A在事件发生135天后的观测，揭示了X射线余晖通量在先前持续增亮之后出现显著下降。该通量下降趋势得到哈勃望远镜光学数据的验证，并与光谱斜率一致，表明其起因为几何或动力学机制，而非冷却效应；结构喷流与各向同性火球模型对数据的拟合效果相当。

ABSTRACT

We report our observation of the short GRB 170817A, associated to the binary neutron star merger event GW 170817, perfomed in the X-ray band with XMM-Newton 135 d after the event (on the 29th December 2017). We find that the X-ray light curve started to decrease with respect to the previous steadily brightening trend. This is also supported by a nearly simultaneous optical Hubble Space Telescope observation. Since the optical-to-X-ray spectral slope did not change with respect to previous observations, we exclude that the decrease in flux is due to the passage of the cooling frequency: its origin must be geometric or dynamical. We interpret all the existing afterglow data with two models: i) a structured jet and ii) a jet-less isotropic fireball with some stratification in its radial velocity structure. Both models fit the data and predict that the radio flux must decrease simultaneously with the optical and the X-ray one, making hard to distinguish between them at the present stage. Polarimetric measures and the rate of short GRB-GW association in future LIGO/Virgo runs will be key to disentangle these two geometrically different scenarios.

研究动机与目标

• 研究GW170817A和GRB 170817A在初始增亮阶段之后X射线余晖辐射的演化过程。
• 确定观测到的通量下降是否由冷却等物理过程引起，或源于几何/动力学效应。
• 比较竞争性模型——结构喷流与具有径向速度分层的各向同性火球——对余晖光曲线的解释能力。
• 评估X射线与光学光曲线行为对理解短伽马射线暴余晖辐射几何结构的启示。

提出的方法

• 于2017年12月29日对GW170817A进行XMM-Newton X射线观测，距离事件发生135天。
• 将X射线光曲线与此前显示稳定增亮趋势的观测结果进行对比，以检测通量演化趋势的反转。
• 利用哈勃空间望远镜获取同时段的光学数据，以跨波段交叉验证通量演化。
• 分析光学-X射线谱斜率，以排除冷却频率穿过X射线波段导致变化的可能性。
• 使用两种理论模型对完整余晖光曲线进行拟合：结构喷流模型与具有径向速度分层的各向同性火球模型。
• 评估模型与多波段数据的一致性，并讨论未来可用于区分的观测判据，如偏振测量与LIGO/Virgo观测中短伽马射电暴-GW事件的探测率。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW170817A的X射线余晖通量在持续增亮后为何出现下降？
• RQ2 通量下降是由于冷却频率穿过X射线波段，还是源于几何或动力学效应？
• RQ3 观测到的余晖光曲线能否被结构喷流模型与具有径向速度分层的各向同性火球模型同等良好地解释？
• RQ4 未来事件中，哪些观测诊断手段可区分结构喷流与各向同性火球模型？
• RQ5 LIGO/Virgo观测中短伽马射电暴-GW事件关联率的提升，将如何有助于解决余晖模型中的几何模糊性问题？

主要发现

• GW170817A的X射线余晖在事件发生135天时表现出明显的通量下降，标志着此前稳定增亮趋势的反转。
• 光学-X射线谱斜率保持恒定，表明通量下降并非由于冷却频率穿过X射线波段。
• 因此，观测到的通量下降可归因于几何或动力学效应，而非光谱演化。
• 结构喷流模型与具有径向速度分层的各向同性火球模型对观测到的余晖光曲线的拟合效果相当。
• 两种模型均预测射电通量将与光学及X射线通量同步下降，因此在现阶段尚无法区分。
• 未来的偏振测量以及LIGO/Virgo观测中短伽马射电暴-GW事件关联率的提升，将是区分这两种几何模型的关键。