从双星合并Kilonova / Macronova发射

文摘

我们审查当前的理解kilonova / macronova排放双星合并(合并两个中子星或中子星和黑洞)。Kilonova / macronova排放由放射性衰变动线核,是最有前途的一个电磁同行重力波的来源。排放的动力喷出物~ 0.01可能有一个光度~ 10吗⁴⁰-10年⁴¹erg年代⁻¹特征时间尺度约为1周。谱峰位于红色光或近红外波长。随后的吸积盘风可能提供一个额外的光度或早期/蓝发射如果不是动力喷出物吸收的先例。近红外检测的过剩总之GRB 130603 b和可能的光学过剩GRB 060614支持的概念kilonova / macronova场景。货币政策委员会在200年的距离,一个典型的峰值亮度kilonova / macronova喷出物约22杂志,排放迅速消退> 24 ~ 10天内杂志。Kilonova / macronova候选人可以区别于超新星(1)更快的时间演化,(2)微弱的绝对大小,和(3)红颜色。由于高扩张速度()是一个健壮的双星合并的结果,光滑的光谱的检测将是最终确定引力波的确凿的证据来源。

1。介绍

合并紧凑的恒星,中子星(NS)和黑洞(BH),是有前途的候选人直接探测到引力波(千瓦)。在2015年9月14日,先进LIGO [1)首次检测到直接从BH-BH GW信号合并(GW150914) [2]。这一发现标志着GW天文学的黎明。

NS-NS并购BH-NS合并也很重要,候选人GW检测。他们也认为是祖细胞又难的伽马射线爆发(GRBs [3- - - - - -5];参见[6,7评论])。设计灵敏度时意识到,先进LIGO [1)、先进的处女座(8],KAGRA [9)可以检测这些事件的空间~ 200 Mpc(用于NS-NS合并)和~ 800 Mpc (BH-NS合并)。虽然事件率仍不确定,不止一个千瓦事件每年预计[10]。

因为只有GW探测器定位是不准确的,例如,不少10度²(11- - - - - -14),确定电磁(EM)同行基本上是重要研究的天体物理性质GW来源。早期的观察运行先进的LIGO和处女座,定位精度可以> 100度²(15- - - - - -17]。事实上,本地化GW150914约为600度²(概率90%)(18]。

识别GW来源如此大的定位区域,密集的瞬态调查应该执行(见,例如,19- - - - - -24GW150914)]。NS-NS并购BH-NS合并预计将发出各种形式的电磁发射。其中一个最强劲的候选人是一个简短的伽马射线爆发。然而,伽马线暴可能躲避我们的检测由于强烈的相对论喜气洋洋的。其他可能的电磁信号包括同步射电辐射通过喷射物质之间的相互作用和星际气体(25- - - - - -27从中央引擎[]或x射线辐射28- - - - - -31日]。

各种排放机制中,光学和红外(IR)排放的放射性衰变动线核(32- - - - - -37极大的兴趣。这个发射称为“kilonova”[34)或“macronova”(33)(我们使用术语kilonova摘要)。Kilonova发射被认为是很有前途的:数值模拟的发展,尤其是数字相对论(38- - - - - -41),事实证明,NS的一部分材料无疑是逐出NS-NS和BH-NS合并(例如,36,42- - - - - -49])。在喷射出的物质,动线核合成无疑发生(例如,35,36,49- - - - - -56])。因此,发射的动线核是一个自然的结果从这些并购事件。

观察kilonova还将为的起源具有重要意义动线元素在宇宙中。事件的NS-NS并购BH-NS合并将测量检测千瓦。此外,如本文所述,kilonova的亮度反映了驱逐的数量动线元素。因此,通过结合GW观察和EM观察,也就是说,“multimessenger”观察,我们可以测量的生产速度动线元素NS-NS和BH-NS合并,理解的起源是至关重要的动线元素。事实上,双星合并化学进化的重要性,近年来被广泛研究[72年- - - - - -82年]。

本文综述kilonova发射从双星合并。本文提供的原始目标的光学和红外后续观测指南GW来源。双星合并和各种物理过程的电磁发射机制,看到最近的评论Rosswog [83年],费尔南德斯和Metzger [84年]。首先,我们给的概述kilonova发射和描述预期的发射部分的属性2。然后,我们比较kilonova模型与现有的观测情况3。基于当前理论和观察了解,我们讨论新兴市场前景的后续观测GW节来源4。最后,我们给的总结部分5。本文给出了震级的AB级除非另有说明。

2。Kilonova发射

2.1。概述

kilonova发射的概念首次引入了李和Paczyński32]。排放机制类似于Ia型超新星(SN)。差异主要有以下几点:(1)典型的喷出物质量从双星合并只有一个订单(Ia型超新星SN),(2)一个典型的扩张速度高达公里的年代⁻¹(~ 10000公里⁻¹在Ia型SN),(3)加热源的放射性衰变能量动线核(Ia型超新星SN)。

假设球、均匀和同源扩大喷出物的放射性能量沉积。一个典型的喷出物的光学深度,在那里质量吸收系数或“不透明度”(),是密度,喷出物的半径。然后,喷出物的扩散时间尺度通过采用(均匀喷出物)(同源扩张)。

当喷出物的动态时间尺度()成为与扩散时间尺度,光子可以逃离喷出物有效(85年]。的条件,发射的特征时间尺度可以写成:

的放射性衰变能量的混合物动线核是已知的幂律关系(34,35,54,86年- - - - - -88年]。通过引入能量沉积的一小部分(),总能量沉积速率(或沉积光度)。大多数(~ 90%)衰变能量释放的衰减,另一是发布的裂变34]。为衰减,,,的能量是由中微子,电子,和分别射线。其中,几乎所有电子沉积,所携带的能量和的一小部分射线能量也喷出物沉积。因此,分数约为0.5(见[89年更多细节)。图中的虚线1显示了沉积光度为和。

由于峰值亮度是由沉积光度在近似(所谓的阿内特定律(85年]),峰值亮度kilonova可以写成:

这种分析的一个重要因素是喷射出的物质的不透明度双星合并。以前,不透明度被认为是类似于Ia型SN,也就是说,(束缚束缚的不透明iron-peak元素)。然而,最近的研究(57,90年,91年显示的不透明度动线element-rich喷出物是一样高的镧系元素(束缚束缚不透明)。这一发现很大程度上修正我们对kilonova的发射特性的理解。从(明显2)和(3),更高的透明度100倍会导致更长的时间尺度~ 10倍,较低的光度~ 20倍。

2.2。NS-NS合并

当两个NSs彼此合并,一小部分NSs潮中断和驱逐到星际介质(例如,36,42])。这个喷出物成分主要分布在NSs的轨道平面。此外,驱动一个强大的冲击碰撞,shock-heated材料也被近球形的方式(例如,[48,92年])。因此,NS-NS合并quasi-spherical喷出物。喷出物的质量取决于质量比和二进制的轨道的偏心率,以及NS的半径或状态方程(EOS,例如,48,92年- - - - - -96年]):更多的不均匀的质量比和偏心轨道导致更大数量的潮中断喷出物和NS半径较小导致如果更大数量的中断导致油价新一轮喷出物。

图中的红线1显示了预期光度NS-NS合并模型(apr4 - 1215从Hotokezaka et al。48])。该模型采用“软”EOS APR4 [97年),11.1公里的半径NS。两个NSs的引力质量喷出物质量是0.01。光变曲线没有明显的峰自能量沉积在外层可以逃脱。由于光子在早期阶段有效地逃离喷出物喷出物的特征时间尺度(2),光度超过能量沉积速度~合并后5 - 8天。

图2显示了相同的多色光曲线NS-NS合并模型(红线;看到合适的轴的绝对大小)。由于高不透明度和低温(90年),光学发射大大地抑制,导致一个非常“红色”发射的颜色。在图所示的红色更明显3,NS-NS合并模型的频谱演化与光谱Ia型SN和宽线类型Ic SN。事实上,位于近红外线光谱的峰值波长(57,90年,91年]。

由于极高的扩张速度,NS-NS合并显示(图少了谱线3)。这是一个大的光谱相比新力(黑色和灰色线),吸收线,因都卜勒频移的强大的功能可以被识别。即使宽线类型Ic SN 1998 bw(与长时间的GRB 980425)显示,尽管许多线混合一些吸收特性。由于高扩张速度是一个健壮的动力喷出物的结果从双星合并,平滑的谱的确认将最终确定GW的关键来源。

当前wavelength-dependent辐射传输模拟假设统一的元素丰度。然而,最近与中微子传输数值模拟表明,喷出物中元素丰度变得不均匀(54,92年,95年,96年]。由于高温和中微子吸收,极地地区可以有更高的电子分数(或每个核子的质子数),导致广泛的分布喷出物。有趣的是广泛分布的最好复制太阳吗动线充足比率(54,56]。这种效应可以在kilonova排放有很大的影响:如果镧系元素的合成抑制在极地方向,那里的透明度可以更小,因此,极地的发射方向可以更早些时候与一个发光的峰值。

2.3。BH-NS合并

黑洞的合并和NS瓦也很重要目标检测(见[98年]审查)。虽然事件率是相当不确定(10),事件的数量可以与NS-NS并购由于GW信号越强,从而获得更大的距离。BH-NS合并在各种条件下都进行了广泛的研究了数值模拟(例如,99年- - - - - -103年])。特别是低BH / NS质量比(或小黑洞质量)和高黑洞旋转,喷出物的质量BH-NS NS-NS合并的合并可以大于(59,104年- - - - - -109年]。由于潮汐影响的主导机制质量弹射,NS半径更大(或僵硬的EOS)给出了一个更高的喷出物质量,相反NS-NS合并的情况,如果在中断导致油价新一轮喷出物占主导地位。

BH-NS合并喷出物中辐射传输模拟表明kilonova发射从BH-NS合并可以更明亮的光波长比从NS-NS合并58]。蓝色的线条图2显示BH-NS合并的光变曲线模型(APR4Q3a75 Kyutoku et al。591.35]),合并的NS和4.05黑洞的旋转参数。喷出物的质量。因为BH-NS合并喷出物是高度各向异性和局限于一个小立体角,喷出物的温度可以提高对于给定的喷出物的质量,因此,发射比NS-NS并购往往会更蓝。因此,即使测辐射热的光度是相似的,光学光度可以高于NS-NS BH-NS合并的合并。

强调的是大规模退出BH-NS合并有一个更大的多样性与NS-NS并购相比,根据质量比,黑洞旋转,其取向。因此,预期的亮度也有一个巨大的多样性。看到川口等。110年]因为预期kilonova宽参数空间的亮度。

2.4。风组件

合并后两个NSs hypermassive NS中心形成,随后黑洞崩溃。在这个过程中,吸积盘周围的中央形成残余。BH-accretion磁盘系统也在BH-NS合并形成的。从这样的吸积盘系统,流出或磁盘“风”可以由中微子加热、粘性加热,或核重组(56,111年- - - - - -117年]。一个典型的风的速度公里的年代⁻¹,低于动力喷出物的先例。虽然喷出物的质量很大程度上取决于弹射机制,一个典型的质量是可能的订单甚至更大。

这个风组件是kilonova排放的另一个重要来源(112年,113年,118年- - - - - -120年]。排放性能取决于喷出物的元素组成。特别是,如果一个高电子分数()是实现长寿的中微子发射hypermassive NS (118年,119年)或冲击加热流出(115年),合成的镧系元素可以抑制在风中。然后,由此产生的排放可以更蓝比动力喷出物的发射由于较低的透明度(57,90年]。该组件可以被称为“蓝色kilonova”(84年]。

为了演示低透明度的影响,我们在数据显示一个简单的风范1和2。在这个模型中,我们采用球面喷出物密度的结构从来(的平均速度公里的年代⁻¹)。喷出物中的元素被认为是lanthanide-free:唯一的元素包括太阳能丰富的比率。如图所示,之前的作品(119年),排放从这样的风可以从动态峰值比早些时候喷出物(图1蓝)和发射(图2)。

注意,这个简单的模型忽略了动态喷出物的存在之外的风组件。动力喷出物的影响实际上是很重要的,因为它是一个“镧系窗帘”[119年风]吸收排放从磁盘。有趣的是,节中描述2.2的极地动力喷出物可以更高,“镧系窗帘”可能不是现在的方向。在BH-NS合并、动力喷出物在轨道平面分布,和磁盘风可以从大部分直接观察的视线。如果风组件是主导kilonova排放,可以直接观察,光谱不一样光滑动力喷出物的光谱,因为慢的扩张(119年]。更真实的模拟捕捉所有这些情况很重要了解发射从磁盘风。

3所示。教训的观察

因为短grb被认为是由NS-NS合并或BH-NS合并(见,例如,6,7kilonova]),模型可以观察测试的伽马射线爆。众所周知,SN组件检测到长grb的余辉(见[121年,122年评论])。如果发生kilonova发射,发射原则上可以看得见的余辉,但这样一个发射躲避检测长时间(123年]。

2013年,一个清晰的过量排放检测的近红外线余辉的GRB 130603 b (67年,68年]。有趣的是,多余的光学数据是不可见的。因为这种行为很同意预期的kilonova属性,多余的解释kilonova发射。

图4(一)显示kilonova模型与观测的GRB 130603 b。观察到的亮度近红外线过剩的GRB 130603 b需要一个相对较大的喷出物的质量(67年,68年,73年,124年]。所指出的Hotokezaka et al。124年),这有利于软EOS(即NS-NS合并模型。,more shock-driven ejection) and a stiff EOS for a BH-NS merger model (i.e., more tidally driven ejection). Another possibility to explain the brightness may be an additional emission from the disk wind (green line in Figure4;参见[118年,119年])。

(一)

(b)

图4

比较kilonova模型与GRB 130603 b (a)和伽马线暴060614 (b)中使用的模型。这些情节是那些拥有相对较高的喷出物质量:apr4 - 1215 (NS-NS,(48]),H4Q3a75 (BH-NS(59])和风范(本文)。一个1.35的H4Q3a75模型合并NS和4.05黑洞的旋转参数。该模型采用“僵硬”EOS H4 (65年,66年]给出了13.6公里半径为1.35NS。GRB 130603 b,余辉组件被认为是(67年,68年]。GRB 060614,它被认为是(69年),这是一个保守的选择(见[70年急剧下降的可能性)。观察和模型大小织女星的GRB 060614给出了系统在文献[70年]。

注意,发现多余的只在一个时代一个过滤器。因此,其他的解释也可能,例如,排放的外部冲击(125年]或由中央迈格尼塔(126年,127年),或热发射新成立的尘埃(128年]。重要的是,后期数据过剩也是可见的x射线(129年),因此,近红外线和x射线过度可能是由相同的机制,可能是中央引擎[130年,131年]。

另一个有趣的案例是060614年伽马线暴。这伽马线暴被正式列为长GRB因为持续时间是100秒。然而,由于没有伴随着明亮的SN,原点是不清楚132年- - - - - -135年]。最近的存在可能过剩的光学余辉报道(69年,70年]。图4 (b)展示了GRB 060614之间的比较和同一套模型。如果这是由kilonova过剩,大量喷出物的质量是必需的。这一事实可能有利于BH-NS合并场景用硬EOS (69年,70年]。然而重要的是要注意,排放BH-NS合并有很大变化,和这样一个有效质量弹射需要低BH / NS质量比和高黑洞自旋(110年]。参见[136年050709年伽马线暴]可能光学过剩,一个真正的短伽马线暴0.5秒的持续时间(137年- - - - - -140年]。如果是由于kilonova过剩,所需的喷出物质量。

最后,早日光明光学GRB 080503的数据天也可以归因于kilonova [141年]虽然这个对象的红移是不幸的是未知的。Kasen et al。119年]给出一个可能的解释与磁盘风范。注意,持久的x射线辐射也发现伽马射线爆发在080503年天,它可能支持一个共同的光学和x射线辐射机制131年,142年]。

4所示。新兴市场前景的后续观测GW来源

图2显示了双星合并的预期亮度模型200 Mpc(左轴)。所有的模型假设一个规范的喷出物的质量,因此,排放可以亮或暗取决于合并参数和EOS(见部分2)。记住这个警告,典型的模型表明,预期kilonova亮度在Mpc 200号22 mag红色光的波长(——或者乐队)天后合并。亮度迅速拒绝> 24内的杂志天后合并。这个发射来检测,我们最终需要8 m级的望远镜。目前8 m级望远镜的广角能力只有8.2米斯巴鲁望远镜:斯巴鲁/超Suprime-Cam (HSC)的视野(FOV)的1.77度²(143年,144年]。在未来,8.4大口径综合巡天望远镜(口径),9.6度²FOV将在线145年,146年]。注意,目标星系调查也有效的搜索相关的瞬态星系(147年,148年]。

再次强调,预期的kilonova亮度可以有多种。如果kilonova候选人的GRB 130603 b (060614)和伽马线暴()典型案例(见部分3可以亮),发射~ 1 - 2杂志。此外,还有明亮的可能性,前体排放(例如,29日,130年,149年)本文中没有讨论的深度。当然,在近距离的排放是光明的对象。因此,调查和小孔径望远镜(通常与宽视场)也很重要。例如,看到Nissanke et al。13]和Kasliwal Nissanke [16)详细调查模拟各种预期EM对应的亮度。

识别的一个巨大的挑战GW新力源污染。NS-NS并购BH-NS合并是罕见的事件与新力相比,因此,更多的新力光调查执行时检测到超过10度²(见[21- - - - - -23GW150914)]。因此,它是非常重要的有效选择候选人的kilonova新力的更多。

帮助分类、颜色星等和色图kilonova模型和Ia型新力如图5。后附有的数字模型是天合并而点给出了新力5天时间间隔。根据目前的了解,光曲线kilonova可以描述如下。(1)短时间尺度的变化应该比新力(图2)。这是健壮的,因为紧凑的喷出物质量比新力二进制合并要小得多。(2)排放比新力微弱。这也是健壮,因为较小的喷出物质量,因此可用的低放射性能量(图1)。(3)预计排放量将比新力红。这是一个结果喷出物的高透明度,但确切的颜色取决于喷出物成分([58,90年,118年,119年),部分2)。

(一)

(b)

因此,为了有效地寻找GW的EM对应源,多个访问< 10天的时间表很重要,这样可以捕获快速时间演化。调查与多个过滤器使用颜色信息也很有用。如图5,观察到的震级kilonovae ~ 200 Mpc类似于新力在较大的距离(Ia型SNe)。因此,如果宿主星系的红移估计,kilonova候选人可以进一步选择近距离和内在的模糊。

5。总结

取而代之的直接检测GW150914打开GW天文学。研究天体物理性质的GW来源,他们同行的认同本质上是重要的。在本文中,我们回顾了当前的理解从双星合并kilonova发射。

0.01 Kilonova动力喷出物的排放有典型的亮度是一个订单吗特征时间尺度约为1周。因为不透明性和高低温,谱峰位于红色光或近红外线波长。除了动力喷出物的排放,随后磁盘风会导致额外的排放可能早高峰用蓝颜色如果排放没有喷出物吸收的先例。

多余的检测GRB 130603 b(并可能GRB 060614)支持kilonova场景。如果这些对象中的过度行为归因于kilonova发射所需的喷出物的质量和,分别。等比较观测和数值模拟提供了非常重要的祖双星合并和EOS NS。

货币政策委员会在200年的距离,一个典型的峰值亮度kilonova排放约22杂志在红色光的波长(——或者乐队)。排放迅速消退> 24 ~ 10天内杂志。区分GW来源与新力,观察与多个访问< 10天的时间表是重要的选择对象快速演化。多个过滤器的使用也有利于选择红色的物体。由于极高的扩张速度()独特的动力学特性质量退出双星合并、极其平滑的谱的检测将最终确定GW来源的确凿证据。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

Yuichiro Sekiguchi,作者感谢健Hotokezaka Masaru柴田Kenta登,Shinya Wanajo Koutarou Kyutoku,首席川口,Maeda Keiichi Takaya Nozawa,和富有成果的讨论Yutaka平井一夫双星合并、核合成,kilonova发射。作者还谢谢Nozomu Tominaga,名叫Tomoki Morokuma Michitoshi吉田,因太,和有价值的讨论EM J-GEM合作后续观察。进行数值模拟提出了克雷XC30计算天体物理学中心,日本国家天文台。这项研究支持了日本的科研补助金促进社会科学(24740117,15 h02075)和科研补助金在创新领域的教育、文化、体育、科技(25103515,15 h00788)。

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天文学的发展

伽马射线在迅速/费米时代

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