[论文解读] Heavy element nucleosynthesis associated with a gamma-ray burst

J. H. Gillanders, E. Troja+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 15

一句话总结

论文给出光谱证据将 GRB 230307A 与紧致对象合并事件联系起来，并显示后期以红外为主的发射需要来自 r 过程核合成的高光学厚度外喷射物，从而识别出可能的重元素特征。

ABSTRACT

Kilonovae are a novel class of astrophysical transients, and the only observationally-confirmed site of rapid neutron capture nucleosynthesis (the r-process) in the Universe. To date, only a handful of kilonovae have been detected, with just a single spectroscopically-observed event (AT 2017gfo). Spectra of AT 2017gfo provided evidence for the formation of elements heavier than iron; however, these spectra were collected during the first ~ 10 days, when emission from light r-process elements dominates the observations. Heavier elements, if synthesised, are expected to shape the late-time evolution of the kilonova, beyond the phases for which we have spectral observations. Here we present spectroscopic observations of a rapidly-reddening thermal transient, following the gamma-ray burst, GRB 230307A. Early (2.4 day) optical spectroscopy identifies the presence of a hot (T ~ 6700 K) thermal continuum. By 29 days, this component has expanded and cooled significantly (T ~ 640 K), yet it remains optically thick, indicating the presence of high-opacity ejecta. We show that these properties can only be explained by the merger of compact objects, and further, leads us to infer the production of the heavy lanthanide elements. We identify several spectral features (in both absorption and emission), whose cause can be explained by newly-synthesised heavy elements. This event marks only the second recorded spectroscopic evidence for the synthesis of r-process elements, and the first to be observed at such late times.

研究动机与目标

• 证明 GRB 230307A 后的热发射来自紧致对象合并喷发物。
• 通过光学/近红外/中红外分光和经验建模约束喷射物的性质（质量、速度与光学厚度）。
• 评估观测光谱是否需要 lanthanide/actinide 链的重元素，指示 r 过程核合成。
• 评估中子星–中子星/黑洞合并是否能最好地解释数据，相较于白矢量星–中子星/黑洞合并。
• 识别可与特定 r 过程元素相关联的光谱特征。
• 提供在 GRB 情境下晚期 kilonova 演化的光谱证据。）

提出的方法

• 在多个历元获取并分析 GRB 230307A 的光学至 MIR 光谱（Gemini/GMOS 于 2.4 天，JWST 于 29 天和 61 天）。
• 将光谱分解为非热后方暴发幂律分量和热黑体分量，以分离 kilonova 信号。
• 用一区、灰度光学厚度的 kilonova 模型拟合热分量，以估计喷射物的质量、速度和光学厚度。
• 将观测结果与 kilonova 辐射传输模型（两组分 LANL SuperNu 模型）及半解析 kilonova 建模（M19）进行比较，以评估光学厚度要求。
• 进行线识别以匹配潜在 r 过程跃迁（lanthanides 及 Te、Nd、Er 等特定元素）对应的观测发射/吸收特征。
• 讨论 WD–NS/BH 与 NS–NS/BH 合并情景，并评估哪一种更好地拟合完整数据集。

实验结果

研究问题

• RQ1 晚期的、以红外为主的热发射是否可由 r 过程核合成驱动的 kilonova 解释？
• RQ2 为再现观测到的光谱与连续体演化，需要哪些喷射物性质（质量、速度、光学厚度）？
• RQ3 光谱特征是否指向喷射物中的特定 r 过程元素（如 Nd、Er、Te 等 lanthanides）？
• RQ4 哪种成因情景（NS–NS/BH 合并 vs WD–NS/BH 合并）能最好解释完整的光谱与光度数据集？
• RQ5 该 GRB 是否是第二个光谱确证的 kilonova，并且是首个具有晚期 MIR 光谱观测的案例？

主要发现

• 该瞬态的热分量从 2.4 天的 Tph ~ 6700 K 演化到 29 天时的 ~640 K，具有高喷射物速度与持续的光学厚度。
• 需要高光学厚度、光学厚的喷射物来解释晚期红外连续体，与重元素（r 过程）核合成一致。
• 在 ~2.1 μm 与 ~4.4 μm 的发射峰以及 ~3.4–4.0 μm 的吸收特征可解读为来自 Te、Nd、Er 等 r 过程元素的跃迁，指示富镧系喷射物。
• 两组分 kilonova 模型（富镧系的动力学喷射 + 富镧系较少的风）在总体预期上较吻合，但在重现确切连续体形状方面存在困难，暗示可能存在光学层或缺失的光学数据。
• 半解析建模（M19）给出最佳拟合喷射物质量 m ≈ 0.059 太阳质量、速度 v ≈ 0.088 c、光学厚度 κ ≈ 10 cm^2 g^-1，表明需要高光学厚度以重现红外光谱。
• 分析倾向于 NS–NS/BH 合并作为 progenitor，与观测到的快速变红和与 GRB 相关 kilonova 率的一致性相符。