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“超铁元素”衰变产生的巨新星的首例多波段光变曲线

  宇宙中比铁更重的元素(即“超铁元素”)的诞生场所还依然一个谜,被美国国家研究理事会宇宙物理学分会列为21 世纪的十一大重大科学问题之一。现阶段受到广泛讨论的两类场所是“II型超新星爆发”以及“中子星与中子星或者恒星级质量黑洞的并合”(简称“中子星并合”)。对于中子星并合模型,一个直接的观测证据是一些不稳定的超铁元素会衰变、进而产生一个光学和红外的暂现源,即所谓的Li-Paczynski巨新星(macronova)或千倍新星(kilonova)。2015年之前这样的巨新星信号只在短时标伽玛暴GRB 130603B中被看到,且该信号仅由哈勃望远镜(HST)的一个F160W波段观测点组成,对其物理起源的限制较弱。

  2015年一个紫金山天文台为首的国际合作团队在奇异的长短伽玛暴GRB 060614的后期光学余辉中发现了另一个巨新星信号。当时证认得到的巨新星信号“出现”得比GRB 1306063B的时间更晚,但能谱更“蓝”,被解释为来自于一个“中子星与恒星级质量黑洞的并合”(对该发现的详细中文报道见http://www.cas.cn/zkyzs/2015/06/05_115710/zyxw/201506/t20150615_4373930.shtml)。但在该工作中,为了确认macronova成分的存在,假定了GRB 060614中除HST观测之外的其它晚期光学数据全部来自伽玛暴的普通余辉辐射。这也使得GRB 060614的巨新星成分主要体现为HST在~13.6天的F814W波段的单个数据点。

  为了深入研究macronova的物理本质,多时段、多波段的光变曲线甚至是宽波段红外能谱的测量甚为必要。基于这样的考虑,紫台为首的一个国际科学团队仔细的再研究GRB 060614,发现之前所做的主要假设(“除HST观测点的其它晚期光学数据全部是伽玛暴的普通余辉辐射”)过强,导致了对余辉辐射的高估及macronova信号的低估。在更合理的“1.7-3天时段内的光学数据完全来自余辉辐射”这一新假设下,金志平等人在国际上首次成功的得到了多波段、多时段的macronova光变曲线(见图1)。该光变曲线的峰值出现在4天左右或更早,这显著的早于已知的超新星辐射,但与巨新星理论预言高度一致。此外,金志平等人还发现该光变的确可以合理的解释为“黑洞-中子星合并”产生的macronova辐射。这为“恒星级质量黑洞-中子星”系统的存在提供了强的证据。他们得到的光变曲线为在引力波探测时代寻找中子星并合事件的macronova提供了首个“宽时段范围内的实测样本”,具有重要的参考价值。他们还计算了macronova的发生率,指出升级改造后的新一代LIGO/VIRGO等引力波探测器具有广阔的发现前景。

  该工作主要得到科技部973计划、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金及B类先导专项等项目的资助.这一工作得到了The Astrophysical Journal Letters (《天体物理学快报》)审稿人的高度评价(This is a nice and concise work, and gets the overall point across clearly),正式发表在http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2041-8205/811/2/L22

  图1. GRB 060614多波段余辉观测数据(上)以及扣除来自正向激波的幂率成分后得到的新的超出成分(下)。这一超出成分被证认为来自“中子星-恒星级质量黑洞”并合事件的巨新星。该图取自Jin et al. (2015, ApJL, 811, L22)

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