[论文解读] Smoking Gun or Smoldering Embers? A Possible r-process Kilonova Associated with the Short-Hard GRB 130603B

E. Berger, Wen‐fai Fong+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本研究为短时伽马射线暴 GRB 130603B 余晖中由 r-过程核合成驱动的千新星提供了有力证据，该证据通过与理论模型匹配的红近红外辐射得以确认。观测到的 m(F160W)=25.8±0.2 AB 星等处的超量及红化颜色（V–H>1.9 星等）表明喷射物质量为 0.03–0.08 M☉，速度为 0.1–0.3c，证实了致密天体并合是短时伽马射线暴的起源，并强调了在未来引力波搜寻中千新星的可探测性。

ABSTRACT

We present ground-based optical and Hubble Space Telescope optical and near-IR observations of the short-hard GRB130603B at z=0.356, which demonstrate the presence of excess near-IR emission matching the expected brightness and color of an r-process powered transient (a kilonova). The early afterglow fades rapidly with alpha 29.3 AB mag. Instead, the detected source has m(F160W)=25.8+/-0.2 AB mag, corresponding to a rest-frame absolute magnitude of M(J)=-15.2 mag. The upper limit in the HST optical observations is m(F606W)>27.7 AB mag (3-sigma), indicating an unusually red color of V-H>1.9 mag. Comparing the observed near-IR luminosity to theoretical models of kilonovae produced by ejecta from the merger of an NS-NS or NS-BH binary, we infer an ejecta mass of M_ej~0.03-0.08 Msun for v_ej=0.1-0.3c. The inferred mass matches the expectations from numerical merger simulations. The presence of a kilonova provides the strongest evidence to date that short GRBs are produced by compact object mergers, and provides initial insight on the ejected mass and the primary role that compact object merger may play in the r-process. Equally important, it demonstrates that gravitational wave sources detected by Advanced LIGO/Virgo will be accompanied by optical/near-IR counterparts with unusually red colors, detectable by existing and upcoming large wide-field facilities (e.g., Pan-STARRS, DECam, Subaru, LSST).

研究动机与目标

• 确定短时硬伽马射线暴 GRB 130603B 的余晖是否表现出 r-过程驱动千新星的特征。
• 通过识别相关暂现发射，检验短时伽马射线暴起源于中子星或黑洞双星并合的假设。
• 利用多波段测光约束并合喷射物的质量和速度。
• 评估在即将开展的广视野光学/近红外巡天中，千新星对应体的可探测性。
• 为致密天体并合在宇宙 r-过程中的作用提供观测支持。

提出的方法

• 在红移 z=0.356 下，利用地面望远镜和哈勃空间望远镜（HST）在光学（F606W）和近红外（F160W）波段进行测光，监测 GRB 130603B 的余晖。
• 测量暂现源的通量密度和颜色，重点关注近红外超量及其与衰减后伽马暴余晖幂律（α=29.3 AB 星等）的偏离。
• 将观测到的星等和颜色与基于中子星-中子星或中子星-黑洞并合喷射物中 r-过程加热的理论千新星模型进行比较。
• 利用观测到的静止框架绝对星等 M(J)=−15.2 星等和颜色超量，通过模型拟合推断喷射物质量和速度。
• 应用 HST 光学上限值（m(F606W)>27.7 AB 星等，3σ）确认源的红化颜色，并将其与标准后伽马暴辐射区分开。
• 评估利用现有及未来的广视野设施（如 Pan-STARRS、DECam、Subaru 和 LSST）探测此类千新星的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB 130603B 余晖中观测到的近红外辐射是否与 r-过程驱动千新星的预期亮度和颜色相符？
• RQ2 基于观测到的暂现源特性，从致密天体并合中推断出的喷射物质量和速度是多少？
• RQ3 观测到的超量辐射能否与由相对论喷流驱动的标准后伽马暴区分开？
• RQ4 在当前和未来的广视野巡天中，探测引力波后续观测中千新星对应体的可能性有多大？
• RQ5 观测到的千新星如何支持短时伽马射线暴起源于中子星或黑洞双星并合的假设？

主要发现

• 暂现源在 m(F160W)=25.8±0.2 AB 星等处表现出近红外超量，显著亮于衰减后的后伽马暴（α=29.3 AB 星等）。
• 该源具有红化颜色（V–H>1.9 星等），与 r-过程衰变驱动的千新星一致，光学上限值 m(F606W)>27.7 AB 星等进一步证实了这一点。
• 静止框架绝对星等 M(J)=−15.2 星等对应于与 r-过程驱动暂现源理论模型相匹配的千新星亮度。
• 喷射物质量被约束在 M_ej≈0.03–0.08 M☉ 范围内，对应喷射速度 v_ej=0.1–0.3c，与双星并合的数值模拟结果一致。
• 该探测为迄今为止最有力的观测证据，表明短时伽马射线暴起源于致密天体并合。
• 结果表明，引力波源产生的千新星将具有异常红化的颜色，并可用即将启用的广视野光学/近红外设施探测到。