[论文解读] The optical afterglow of the short gamma-ray burst associated with GW170817

J. Lyman, Gavin P. Lamb+34 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 69被引用 26

一句话总结

本文报告了GW170817在晚发时期的光学与近红外观测，揭示了一道明亮且呈蓝色的余晖，与标准千新星模型不符。该辐射最合理的解释是：一束结构化的相对论喷流以偏离轴线的角度被观测到，高斯喷流模型能很好地拟合多波段光曲线，并预测在约260天达到峰值；未来射电观测可能在并合约2年时探测到反向喷流的隆起特征。

ABSTRACT

The binary neutron star merger GW170817 was the first multi-messenger event observed in both gravitational and electromagnetic waves. The electromagnetic signal began approximately 2 seconds post-merger with a weak, short burst of gamma-rays, which was followed over the next hours and days by the ultraviolet, optical and near-infrared emission from a radioactively- powered kilonova. Later, non-thermal rising X-ray and radio emission was observed. The low luminosity of the gamma-rays and the rising non-thermal flux from the source at late times could indicate that we are outside the opening angle of the beamed relativistic jet. Alternatively, the emission could be arising from a cocoon of material formed from the interaction between a jet and the merger ejecta. Here we present late-time optical detections and deep near-infrared limits on the emission from GW170817 at 110 days post-merger. Our new observations are at odds with expectations of late-time emission from kilonova models, being too bright and blue. Instead, the emission arises from the interaction between the relativistic ejecta of GW170817 and the interstellar medium. We show that this emission matches the expectations of a Gaussian structured relativistic jet, which would have launched a high luminosity short GRB to an aligned observer. However, other jet structure or cocoon models can also match current data - the future evolution of the afterglow will directly distinguish the origin of the emission.

研究动机与目标

• 解决GW170817晚发余晖辐射的起源问题，该现象与标准千新星模型的预测相矛盾。
• 确定并合后110天观测到的明亮蓝色光学辐射是否源于相对论喷流，或源于喷流-喷出物相互作用形成的包层物质。
• 利用多波段光曲线数据，特别是晚发时期的哈勃空间望远镜观测，约束喷流结构与视线角度。
• 检验观测到的流量演化是否与高斯结构化喷流模型一致，或与其他喷流/包层构型相符。
• 预测余晖的未来演化，并识别可区分竞争模型的观测特征，如反向喷流隆起。

提出的方法

• 在并合后110个本征日，获取了哈勃空间望远镜（HST）在光学（F606W, F814W）和近红外（F140W, F160W）滤波器下的深度观测，以探测或设定瞬变辐射的上限。
• 对HST图像进行天体测量对齐至并合位置，并执行测光以测量各滤波器的流量，光学波段有显著检测，近红外波段则给出上限。
• 将观测到的光学与近红外光曲线与千新星模型的预测进行比较，发现晚发辐射过于明亮且偏蓝，无法用标准富含镧系元素或缓慢衰减的千新星情景解释。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）技术，将多波段余晖光曲线（X射线、射电、光学）拟合至高斯结构化相对论喷流模型，以推断关键参数。
• 利用Blandford-McKee和Sedov-Taylor解来建模晚发流量衰减，预测从相对论性到非相对论性动力学的转变，并推测约2年时可能观测到反向喷流。
• 通过对比源的颜色-星等与M87球状星团的特征，评估球状星团污染的可能性，发现该瞬变源更蓝且具有明显差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何GW170817的余晖在110天时显著比当前千新星模型预测的更明亮且更蓝？
• RQ2 GW170817的晚发光学辐射最合理的解释是偏离轴线观测的结构化相对论喷流，还是喷流-喷出物相互作用形成的包层物质？
• RQ3 发射喷流的关键物理参数（如喷流核心洛伦兹因子、张角、周围介质密度）为何？数据对这些参数的约束程度如何？
• RQ4 余晖何时达到峰值？横向膨胀或边缘增亮如何影响偏离轴线观测者的峰值时间和流量？
• RQ5 未来射电观测是否可能在并合约2年时探测到反向喷流隆起，从而为喷流与包层模型提供决定性检验？

主要发现

• 在并合后110天，HST观测在光学F606W与F814W滤波器中于并合位置检测到辐射，其颜色更蓝（M_F606W,AB - M_F160W,AB ≤ 1.5 mag），与千新星模型的预期不符。
• 近红外F140W与F160W滤波器未检测到显著信号，给出了这些波长的流量上限。
• 观测到的辐射与标准千新星模型不一致，后者预测该时刻的光度低于30等且颜色更红，因此可排除主导千新星贡献的可能性。
• 数据最合理的解释是：具有高斯分布的结构化相对论喷流，观测者视线倾角为θ_obs = 29.5°，与偏离轴线观测的喷流一致。
• MCMC拟合的高斯喷流模型得到核心洛伦兹因子Γ₀ = 180.1⁺⁸⁰.¹₋₈₂.₇，各向同性等效动能E₀ = 1.26⁺³.⁷⁵₋₁.₀₁ × 10⁵² erg，喷流核心张角θ₀ = 5.5°⁺¹.₆₋₁.₆。
• 该模型预测在给定视线角度下，余晖将在约260天达到峰值，峰值前流量衰减为∝ t⁻¹.⁶，非相对论阶段则过渡为∝ t⁻¹.¹，且在约2年时可能在射电波段探测到反向喷流隆起。