[论文解读] What powered AT2017gfo associated with GW170817

Shao-Ze Li, Liang-Duan Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 2

一句话总结

该论文提出，与GW170817相关的光学暂现源AT2017gfo的能量来源并非仅由r过程放射性衰变提供，而是由一个长期存在的中子星残余物注入能量所致。该模型能够一致地解释来自数值模拟的喷射物质量和光学厚度条件下的早期和晚期辐射成分，表明合并后形成了一个超质量、低磁场的中子星。

ABSTRACT

The groundbreaking discovery of the optical transient AT2017gfo associated with GW170817 opens a unique opportunity to study the physics of double neutron star mergers. We argue that the standard interpretation of AT2017gfo as being powered by r-process radioactive decay faces the challenge of simultaneously accounting for the peak luminosity and peak time of the event, since it is not easy to achieve the required high mass, and especially the low opacity of the ejecta required to fit the data. A plausible solution would be to invoke an additional energy source, which is probably provided by the merger product. We consider energy injection from two types of the merger products: (1) a post-merger black hole powered by fallback accretion; and (2) a long-lived neutron star (NS) remnant. The former case can only account for the early emission of AT2017gfo, with the late emission still powered by radioactive decay. In the latter case, both early and late emission components can be well interpreted as due to energy injection from a spinning-down NS, with the required mass and opacity of the ejecta components well consistent with known numerical simulation results. We suggest that there is a strong indication that the merger product of GW170817 is a long-lived (supra-massive or even permanently stable), low magnetic field NS. The result provides a stringent constraint on the equations of state of NSs.

研究动机与目标

• 解决在标准r过程衰变模型下解释AT2017gfo峰值光度和峰值时间时存在的矛盾。
• 探究合并残余物是否提供额外能量源，从而更合理地解释观测到的光变曲线。
• 评估两种合并产物——合并后黑洞伴随吸积回落和长期存在的中子星——作为能量源的可行性。
• 利用对喷射物质量和光学厚度的观测约束，推断中子星残余物的性质。
• 基于推断出的残余物特性，对中子星的方程状态施加严格约束。

提出的方法

• 以自转衰减的中子星残余物注入能量为主要能量来源，建模AT2017gfo的光变曲线。
• 将中子星自转衰减预测的光变曲线与多波段观测的光度数据进行比较。
• 利用从双中子星合并数值模拟中获得的喷射物质量和光学厚度值，约束模型参数。
• 评估黑洞吸积回落的替代情景，评估其仅能解释早期辐射的能力。
• 评估中子星模型与观测到的峰值时间、峰值光度和光谱演化的一致性。
• 应用观测到的低光学厚度和所需喷射物质量的约束，推断残余物的特性，如磁场强度和寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 在所需喷射物质量和光学厚度条件下，仅靠r过程放射性衰变是否能一致地解释AT2017gfo的观测光变曲线？
• RQ2 与标准放射性衰变相比，来自长期存在的中子星残余物的能量注入是否能更好地拟合AT2017gfo的完整光变曲线？
• RQ3 观测到的辐射对合并残余物的性质（特别是其寿命和磁场强度）有何启示？
• RQ4 在中子星合并模拟的背景下，观测到的光度和峰值时间如何约束喷射物的质量和光学厚度？
• RQ5 数据对中子星的方程状态有何含义，特别是对超质量中子星的稳定性和最大质量有何启示？

主要发现

• 标准r过程衰变模型难以同时满足AT2017gfo的峰值光度和峰值时间，因为对喷射物质量和光学厚度的要求相互矛盾。
• 来自合并后黑洞的吸积回落能量注入仅能解释早期辐射，无法解释晚期辐射成分。
• 长期存在的中子星残余物通过自转衰减驱动的能量注入，能够一致地解释早期和晚期辐射成分。
• 中子星模型所需的喷射物质量和光学厚度与双中子星合并数值模拟的结果高度一致。
• 数据强烈表明合并残余物为超质量或永久稳定的中子星，且磁场强度较低。
• 该结果对中子星的方程状态施加了严格约束，支持能够维持长期存在的大质量中子星的刚性方程状态。