[论文解读] The emergence of a new source of X-rays from the binary neutron star merger GW170817

A. Hajela, R. Margutti+34 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 9

一句话总结

该论文展示了在GW170817双中子星并合事件发生900天后，出现了一种新的X射线发射成分，其在1234天时的光度约为~5×10³⁸ erg s⁻¹，超出离轴喷流模型预测值3.5–4.3σ。该过量发射与由高速喷射物驱动的轻微相对论性激波所激发的千新星余晖一致，表明并合残骸为长寿命中子星，而非立即形成黑洞。

ABSTRACT

The binary neutron-star (BNS) merger GW170817 is the first celestial object from which both gravitational waves (GWs) and light have been detected enabling critical insight on the pre-merger (GWs) and post-merger (light) physical properties of these phenomena. For the first $\sim 3$ years after the merger the detected radio and X-ray radiation has been dominated by emission from a structured relativistic jet initially pointing $\sim 15-25$ degrees away from our line of sight and propagating into a low-density medium. Here we report on observational evidence for the emergence of a new X-ray emission component at $\delta t>900$ days after the merger. The new component has luminosity $L_x \approx 5 imes 10^{38} m{erg s^{-1}}$ at 1234 days, and represents a $\sim 3.5\sigma$ - $4.3\sigma$ excess compared to the expectations from the off-axis jet model that best fits the multi-wavelength afterglow of GW170817 at earlier times. A lack of detectable radio emission at 3 GHz around the same time suggests a harder broadband spectrum than the jet afterglow. These properties are consistent with synchrotron emission from a mildly relativistic shock generated by the expanding merger ejecta, i.e. a kilonova afterglow. In this context our simulations show that the X-ray excess supports the presence of a high-velocity tail in the merger ejecta, and argues against the prompt collapse of the merger remnant into a black hole. However, radiation from accretion processes on the compact-object remnant represents a viable alternative to the kilonova afterglow. Neither a kilonova afterglow nor accretion-powered emission have been observed before.

研究动机与目标

• 识别并表征GW170817双中子星并合事件在并合后900天以上余晖中出现的新X射线发射成分。
• 确定观测到的X射线过量是否与千新星余晖一致，或是否由其他发射机制（如致密残骸吸积）引起。
• 评估该新发射成分对并合残骸本质的含义，特别是其是否立即坍缩为黑洞，或仍以中子星形式存在。
• 通过多波段余晖建模，约束并合喷射物的特性，尤其是高速成分的存在。
• 在既未观测到千新星余晖也未观测到吸积驱动发射的背景下，区分X射线过量的起源是千新星余晖还是吸积驱动发射。

提出的方法

• 分析来自X射线天文台的X射线光曲线，重点关注并合后约900天后的数据，以检测与离轴喷流余晖模型的偏差。
• 将观测到的X射线光度与基于早期多波段数据（射电、X射线、光学）拟合的离轴喷流模型预测值进行比较，数据截止至约900天。
• 通过相对于喷流模型的显著性水平（3.5–4.3σ）对X射线过量进行统计评估，以评估其稳健性。
• 利用光谱建模推断其宽波段谱，3 GHz射电发射未被探测到，表明其X射线谱比喷流余晖预期的更硬，支持非喷流起源。
• 模拟由高速喷射物驱动的轻微相对论性激波所产生的千新星余晖发射，评估其与观测到的X射线光度和时间的一致性。
• 评估其他模型（包括吸积驱动发射）以解释在无射电探测情况下的X射线过量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GW170817并合事件并合后约900天以上，是否出现了一种新的X射线发射成分？
• RQ2 观测到的X射线过量是否与高速喷射物中轻微相对论性激波驱动的千新星余晖一致？
• RQ3 X射线过量对并合残骸的本质意味着什么——特别是其是否立即坍缩为黑洞，或仍以中子星形式存在？
• RQ4 在3 GHz处未探测到可检测射电发射，如何限制该新X射线成分的光谱特性和发射机制？
• RQ5 能否用致密残骸的吸积驱动发射解释观测到的X射线过量？还是千新星余晖模型更具说服力？

主要发现

• 在GW170817并合事件发生δt > 900天后，出现了一种新的X射线发射成分，其在1234天时的光度约为5×10³⁸ erg s⁻¹。
• 与基于早期数据拟合的离轴喷流余晖模型相比，X射线过量在3.5σ至4.3σ的显著性水平上具有统计显著性。
• 在3 GHz处未探测到可检测射电发射，表明其宽波段谱比喷流余晖预期的更硬，支持非喷流起源。
• X射线过量与由高速喷射物膨胀驱动的轻微相对论性激波产生的同步辐射一致，表明其为千新星余晖。
• 模拟结果表明，X射线过量支持喷射物中存在高速尾部成分，反对并合残骸立即形成黑洞。
• 此前从未观测到千新星余晖或吸积驱动发射，因此这是首次在中子星并合余晖中探测到此类成分。