[论文解读] Non-LTE analysis for Helium and Strontium lines in the kilonova AT2017gfo

Yuta Tarumi, Kenta Hotokezaka+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 12

一句话总结

本论文使用放射性电离驱动的非LTE效应对 AT2017gfo 中 He I 10833 Å 和 Sr II 三重线的形成进行建模，结果表明：外壳质量中 He 占比约 0.2% 即可再现 ~8000 Å 的特征，Sr II 也可在约 1% 的质量分数下再现，并具有随时间的变化行为。

ABSTRACT

Kilonova spectra imprint valuable information about the elements synthesized in neutron star mergers. In AT2017gfo, the kilonova associated with GW170817, the spectroscopic feature centered around 8000 angstroms has been interpreted as the P-Cygni profile arising from singly ionized Strontium. Recently, Perego et al. (2022) suggested that Helium 10833 line can be an alternative explanation of the feature. Here, we study the line features under non-local thermodynamic equilibrium. We find that the ionization of ejecta by the stopping of radioactive decay product can significantly enhance the ionization states around the line forming region. We compute the kilonova spectrum under the assumption of spherical symmetry and uniform elemental fraction in the line-forming region. We find that 0.2\% (in mass) of Helium in the ejecta can reproduce the P-Cygni feature in the observed spectrum at $1.43$ -- $4.40$ days. Strontium with a mass fraction of $1\%$ is also able to make the absorption feature at $\sim 1.5\,$days, but it gets weaker with time due to ionization by radioactive decay products. The strength of the He line signature depends sensitively on UV strength for the first two epochs. Further modeling of UV line blanketing by $r$-process elements and the optical properties of light $r$-process elements would be crucial to distinguish between Helium and Strontium features. The mass fraction of He is a good indicator for ejecta entropy that allows us to probe the mass ejection mechanism.

研究动机与目标

• 在非LTE条件下，研究 He I 10833 Å 或 Sr II 线是否能解释 AT2017gfo 中显著的 8000 Å 特征。
• 评估来自放射性衰变的非热离化如何改变kilonova喷出物的离子化平衡与能级分布。
• 在一个简单的球对称、均匀混合的线形成区域中，确定为再现观测光谱在不同历元所需的 He 和 Sr 的质量分数。
• 探讨紫外线线遮挡（UV line blanketing）和喷出物熵对区分 He 与 Sr 作为特征载体的影响。
• 评估从光谱特征得到的喷出物质量与喷出机制约束的含义。

提出的方法

• 在考虑非热电离、自发/受激跃迁和碰撞的情况下，求解 He I 和 Sr II 的能级占据的速率方程。
• 在固定光球半径和黑体连续体的膨胀同源喷出物中，计算 Sobolev 光学深度与线形成。
• 假设线形成区为球对称，且 He 与 Sr 的分量均匀分布，通过在不同历元调整光球速度和温度来拟合光谱。
• 使用 NIST 原子数据来获取能级和跃迁概率；采用 Sobolev 逃逸概率来处理线阻塞。
• 结合 Spencer-Fano 考量得到的非热电离速率，以估算离子化平衡与能级分布。
• 通过对光球和线形成层进行积分，考虑膨胀导致的多普勒移位来建模观测光谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非LTE条件下，单独的 He I 10833 Å 能否再现 AT2017gfo 的 8000 Å P-Cygni 线性特征？
• RQ2 Sr II 三重线能否再现吸收特征，以及由于离子化变化其强度随时间如何演化？
• RQ3 来自放射性衰变的非热电子如何改变离子化平衡，从而影响 kilonova 喷出物的线强度？
• RQ4 在假设简单均匀喷出几何的前提下，为匹配不同历元的观测，需要的 He 和 Sr 的质量分数是多少？
• RQ5 还需要哪些额外因素（如 UV 线遮挡）来区分 He 与 Sr 作为特征载体？

主要发现

• 喷出物中质量分数为 0.2% 的氦可以再现并合并后1.43至4.40天观测到的 8000 Å P-Cygni 特征。
• Sr 的质量分数为 1% 也可在约1.5天时产生吸收特征，但其强度随时间因放射性衰变产物的电离而减弱。
• 非LTE效应，特别是放射性驱动的电离，显著影响 He I 2^3S 的种群以及早期历元的线强度。
• Sr II 的线强度下降速度快于 He I，原因是合并复的速率下降和过度电离效应，在某些模型中需要更高的 Sr 质量以匹配后期历元。
• UV 线遮挡和轻元素 r-过程原子的光学性质对于区分 He 与 Sr 作为在金环噪谱中的特征载体至关重要。
• He 的质量分数可作为喷出物熵的指标，并对喷出机制提供约束。