科學家發現「超鐵元素」衰變產生的巨新星的首例多波段光變曲線

2021-02-15 中科院之聲

宇宙中比鐵更重的元素(即「超鐵元素」)的誕生場所還依然是一個謎,被美國國家研究理事會宇宙物理學分會列為21世紀的十一大重大科學問題之一。現階段受到廣泛討論的兩類場所是「II型超新星爆發」以及「中子星與中子星或者恆星級質量黑洞的併合」(簡稱「中子星併合」)。對於中子星併合模型,一個直接的觀測證據是一些不穩定的超鐵元素會衰變、進而產生一個光學和紅外的暫現源,即所謂的Li-Paczynski巨新星(macronova)或千倍新星(kilonova)。2015年之前這樣的巨新星信號只在短時標伽瑪暴GRB 130603B中被看到,且該信號僅由哈勃望遠鏡(HST)的一個F160W波段觀測點組成,對其物理起源的限制較弱。

2015年,一個以中國科學院紫金山天文臺為首的國際合作團隊在奇異的長短伽瑪暴GRB 060614的後期光學餘輝中發現了另一個巨新星信號。當時證認得到的巨新星信號「出現」得比GRB 1306063B的時間更晚,但能譜更「藍」,被解釋為來自於一個「中子星與恆星級質量黑洞的併合」。但在該工作中,為了確認macronova成分的存在,假定了GRB 060614中除HST觀測之外的其它晚期光學數據全部來自伽瑪暴的普通餘輝輻射。這也使得GRB 060614的巨新星成分主要體現為HST在~13.6天的F814W波段的單個數據點。

為了深入研究macronova的物理本質,多時段、多波段的光變曲線甚至是寬波段紅外能譜的測量甚為必要。基於這樣的考慮,該團隊仔細再研究了GRB 060614,發現之前所做的主要假設(「除HST觀測點的其它晚期光學數據全部是伽瑪暴的普通餘輝輻射」)過強,導致了對餘輝輻射的高估及macronova信號的低估。在更合理的「1.7-3天時段內的光學數據完全來自餘輝輻射」這一新假設下,金志平等人在國際上首次成功地得到了多波段、多時段的macronova光變曲線(見下圖)。該光變曲線的峰值出現在4天左右或更早,顯著早於已知的超新星輻射,但與巨新星理論預言高度一致。此外,金志平等人還發現該光變的確可以合理地解釋為「黑洞-中子星合併」產生的macronova輻射。這為「恆星級質量黑洞-中子星」系統的存在提供了強的證據。他們得到的光變曲線為在引力波探測時代尋找中子星併合事件的macronova提供了首個「寬時段範圍內的實測樣本」,具有重要的參考價值。他們還計算了macronova的發生率,指出升級改造後的新一代LIGO/VIRGO等引力波探測器具有廣闊的發現前景。

該工作主要得到科技部「973」計劃、國家自然科學基金、江蘇省傑出青年基金及B類先導專項等項目的資助。這一工作正式發表在The Astrophysical Journal Letters(《天體物理學快報》)。

圖1. GRB 060614多波段餘輝觀測數據(上)以及扣除來自正向激波的冪率成分後得到的新的超出成分(下)。這一超出成分被證認為來自「中子星-恆星級質量黑洞」併合事件的巨新星。該圖取自Jin et al. (2015, ApJL, 811, L22)

來源:中國科學院紫金山天文臺



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