余辉揭示了中子星碰撞的本质和起源

Fong afterglow两颗中子星合并的艺术渲染图。信贷:NSF / LIGO /国家/索诺玛。Simonnet

2017年两颗中子星强震合并的历史性探测的最后一章已经正式完成。在这颗极其明亮的星暴最终褪为黑色后,由西北大学领导的一个国际团队煞费苦心地制造了它的余辉——这是这一著名事件生命周期的最后一点余辉。

这张照片不仅是迄今为止中子星碰撞余辉的最深处照片,还揭示了这次合并的起源、它产生的喷射流以及较短的伽马射线爆发的性质。

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领导这项研究的西北大学的方文辉(Wen-fai Fong)说:“这是我们在可见光下对这一事件进行的最深入的曝光。”“图像越深,我们能获得的信息就越多。”

这项研究将于本月发表在《天体物理学杂志快报》上。方的物理与天文学助理教授在西北大学Weinberg艺术与科学学院和成员CIERA(跨学科探索和研究中心的天体物理学),一个赋予西北大学研究中心致力于推进研究重点是跨学科的联系。

许多科学家认为,被称为GW170817的2017年中微子与恒星的合并,是LIGO(激光干涉仪引力波观测站)迄今为止最重要的发现。这是天体物理学家第一次捕捉到两颗中子星相撞的画面。通过引力波和电磁光的探测,这也是首次在这两种形式的辐射之间进行多信使观测。

这是我们在可见光下对这一事件进行的最深入的曝光。图像越深,我们能获得的信息就越多。方文辉
天体物理学家

GW170817发出的光被探测到,部分原因是它离地球很近,所以非常明亮,相对容易被发现。当这两颗中子星相撞时,它们会释放出一颗千诺娃(千诺娃是一颗经典新星的1000倍),这是合并后重元素形成的结果。但正是这种亮度使得它的余辉难以测量。余辉是由一架接近光速的喷气式飞机撞击周围环境形成的。

方说:“为了让我们看到余辉,基洛诺娃号不得不移开。”毫无疑问,在合并后的100天左右,基洛诺娃号已经被遗忘了,余晖笼罩了它。然而,余辉非常微弱,只有最灵敏的望远镜才能捕捉到。”

哈勃拯救地球

从2017年12月开始,美国宇航局的哈勃太空望远镜探测到了合并后的可见光余辉,并在一年半的时间里对合并地点进行了10次以上的重访。

Fong afterglow方框显示了现在已经褪色的余辉的位置。

在2019年3月底,方的团队使用哈勃望远镜获得了最终的图像和迄今为止最深的观测。在7个半小时的过程中,望远镜记录了一幅发生中子星碰撞的天空图像。由此产生的图像显示,在中微子与恒星合并584天后,从合并中发出的可见光终于消失了。

接下来,方的团队需要移除周围星系的亮度,以隔离该事件极其微弱的余辉。

该研究的第二作者、CIERA的博士后彼得·布兰查德(Peter Blanchard)说:“要准确测量余辉发出的光,你必须把其他所有的光都拿走。”“最大的罪魁祸首是来自星系的光污染,它的结构极其复杂。”

方、布兰查德和他们的合作者通过使用全部10张图片来完成这项挑战。在这10张图片中,基洛诺瓦号消失了,余辉依然存在,就像最后一张没有碰撞痕迹的深哈勃图像一样。研究小组将深哈勃望远镜拍摄的图像覆盖在这10张余辉图像上。然后,使用一种算法,他们一丝不苟地从哈勃图像中逐像素地减去早期余辉图像中的所有光。

结果:最后的时间序列图像,显示了没有来自背景星系的光污染的微弱余辉。与模型预测完全一致,它是迄今为止对GW170817可见光余辉产生的最精确的成像时间序列。

方说:“亮度的演化完全符合我们对喷流的理论模型。”“它也完全符合无线电和x射线告诉我们的东西。”

照明信息

通过哈勃的深空图像,方和她的合作者收集到了关于GW170817星系的新见解。也许最令人震惊的是,他们注意到合并周围的区域并没有密集的星团。

方说:“以前的研究表明,中子星对可以在球状星团的密集环境中形成并合并。”“我们的观察表明,这绝对不是中子星合并的情况。”

根据这幅新图像,方还认为,遥远的宇宙爆炸,即短伽马射线爆发,实际上是中子星合并——只是从另一个角度看。这两种物质都能产生相对论性喷流,就像一根由接近光速的物质组成的消防水管。天体物理学家通常会在伽马射线爆发中直接看到喷射物,就像直接盯着消防水管一样。但是GW170817是从30度的角度观察到的,这是以前从未在光学波长上做过的。

方说:“GW170817是我们第一次看到这架飞机‘偏离轴’。”“新的时间序列表明,GW170817和遥远的短伽马暴之间的主要区别在于观测角度。”

这项名为“GW170817的光学余辉:一个偏离轴的结构射流和球状星团起源的深层约束”的研究主要由美国国家科学基金会(资助号为AST-1814782和AST-1909358)和美国宇航局(资助号为HST-GO-15606.001-A和SAO-G09-20058A)资助。

主题:创新、研究、太空、温伯格艺术与科学学院

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2019/09/afterglow-sheds-light-on-the-nature-origin-of-neutron-star-collisions/