[论文解读] Welcome to the Multi-Messenger Era! Lessons from a Neutron Star Merger and the Landscape Ahead

Brian D. Metzger|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 42

一句话总结

本文通过模拟双中子星并合事件GW170817的电磁对应体，验证了千新星和短伽马射电暴的理论模型。结果表明，光学/红外暂现源与r过程驱动的千新星预测相符，而延迟的X射线和射电辐射则支持存在一个非轴向的相对论喷流，从而确立双中子星并合为短伽马射电暴的起源，并通过多信使数据实现了对中子星状态方程的约束。

ABSTRACT

The discovery by Advanced LIGO/Virgo of gravitational waves from the binary neutron star (NS) merger GW170817, and subsequently by astronomers of transient counterparts across the electromagnetic (EM) spectrum, has initiated the era of multi-messenger astronomy. Given the slew of papers appearing on this event, I thought it useful to summarize the EM discoveries in the context of theoretical models and present my views on the major take-away lessons from this watershed event. The weak GRB discovered in close time coincidence with GW170817, and potential evidence for a more powerful off-axis relativistic jet (initially beamed away from our line of sight) from the delayed rise of a non-thermal X-ray and radio orphan afterglow, provides the most compelling evidence yet that cosmological short GRBs originate from binary NS mergers. The luminosity and colors of the early optical emission discovered within a day of the merger agrees strikingly well with original predictions (Metzger et al. 2010) for "kilonova" emission powered by the radioactive decay of r-process nuclei, the NS merger origin of which was initially proposed by Lattimer & Schramm 1974. The transition of the spectral energy distribution to NIR wavelengths on timescales of days matches predictions by Barnes & Kasen 2013 and Tanaka & Hotokezaka 2013 if a portion of the ejecta contains heavy r-process nuclei with higher opacities. The "blue" and "red" ejecta components may possess distinct origins (e.g. dynamical ejecta versus accretion disk outflows), with key implications for the merger physics and the properties of neutron stars. I outline the diversity in the EM emission expected from additional mergers-observed with different binary masses and viewing angles-discovered once LIGO/Virgo reach design sensitivity and NS mergers are discovered as frequently as once per week.

研究动机与目标

• 在千新星与短伽马射电暴的理论模型背景下，合成GW170817的电磁观测结果。
• 验证长期存在的关于中子星并合中r过程核合成及其辐射的理论预测。
• 利用多信使数据提取中子星状态方程、最大质量及哈勃常数的天体物理约束。
• 概述未来在设计灵敏度下实现更多探测时，多信使天文学的发展前景。
• 评估千新星与喷流余晖在探测中子星性质及宇宙学参数中的作用。

提出的方法

• 将GW170817的光学/红外对应体的观测光变曲线与基于r过程核素放射性衰变的理论千新星模型进行比较。
• 利用观测到的亮度与光谱演化，推断喷射物质量、速度与成分，特别区分轻稀土元素贫乏（蓝色）与富含轻稀土元素（红色）组分。
• 分析非热X射线与射电余晖的延迟上升，推断存在非轴向相对论喷流，与短伽马射电暴模型一致。
• 利用Advanced LIGO/Virgo探测到的引力波数据，约束双星总引力质量，推断残余物的稳定性与最大质量。
• 结合宿主星系红移与引力波信号测得的光度距离，独立测量哈勃常数。
• 评估未来引力波+电磁波联合探测在约束暗能量等宇宙学参数及改进宇宙距离阶梯方面的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW170817的光学与红外光变曲线在多大程度上符合r过程放射性衰变驱动的千新星辐射理论预测？
• RQ2 GW170817中存在非轴向相对论喷流的证据是什么？这一发现如何揭示短伽马射电暴的起源？
• RQ3 观测到的喷射物成分与结构如何约束中子星的状态方程及其半径？
• RQ4 能否通过双中子星并合事件的引力波与电磁波数据联合，实现对哈勃常数的独立测量？
• RQ5 未来多信使探测在探测暗能量及其他宇宙学参数方面有何前景？

主要发现

• GW170817的早期光学与红外暂现源与Metzger等人（2010）关于r过程核素放射性衰变驱动的千新星预测高度一致，其亮度与颜色演化与约0.01–0.03 M☉的喷射物质量相符。
• 在第3–5天出现的近红外波段过渡，最合理地由高光学厚度的富含轻稀土元素喷射物解释，与Barnes & Kasen（2013）及Tanaka & Hotokezaka（2013）的预测一致。
• 非热X射线与射电余晖的延迟上升提供了强有力的证据，表明存在非轴向相对论喷流，支持短伽马射电暴源自双中子星并合的假说。
• 未观测到快速坍缩或超质量中子星残余物，表明形成了超质量中子星，从而对最大中子星质量给出上限：M_max ≤ 2.17 M☉（90%置信水平）。
• 基于GW170817的光度距离与宿主星系红移测得的哈勃常数为H₀ = 69.3⁺¹².¹₋₆.₀ km s⁻¹ Mpc⁻¹，与其它估算一致，且不依赖宇宙距离阶梯。
• 未来在设计灵敏度下（每年6–120次探测）的探测将能对H₀与宇宙学参数实现越来越严格的约束，尤其在红移z ≳ 0.4且结合引力波与电磁波观测时。