《自然·通讯》和《自然·天文学》报道天文与空

作者: 产品评测  发布:2019-12-13

图1. GRB 170817A的能量-时间分布与光变曲线

图2:将一些具有红移的明亮短暴以及GW170817/GRB 170817A的X射线余辉辐射移到一个共同的观测距离200Mpc后的统计图。显然,晚期快下降的数据形成了一个自然的序列。红虚线示意的是GW170817在正轴观测情况下的X射线流量随时间的演化。显而易见,它将是最亮的X射线余辉之一。

2017年8月17日,激光干涉引力波天文台探测到首例来自双中子星合并产生的引力波事件GW170817。之后,2颗高能天文卫星Fermi和INTEGRAL分别同时探测到该事件的高能电磁对应体——短伽玛暴GRB 170817A。这是继2015年9月人类首次直接探测到引力波之后,历史上第一次发现引力波的电磁对应体。这个重大发现强有力地证明短伽玛暴产生于双中子星的并合过程。张彬彬老师迅速带领合作团队,对该事件在伽玛射线波段的瞬时辐射展开了全面的分析和研究。通过分析光度变化的精细结构和能谱,发现这是一个光度异常低的短伽玛暴,提出这样的观测只能由偏轴的结构化喷流或中心引擎周围的“茧状”辐射区产生,同时还指出这一超低光度的短伽玛暴预示着由双子星并合产生的伽玛暴的发生率远高于人们之前的预期。该项研究成果以“A peculiar low-luminosity short gamma-ray burst from a double neutron star merger progenitor”为题于2018年1月31日发表在《自然·通讯》杂志上(https://www.nature.com/articles/s41467-018-02847-3)。这一研究工作得到了国家科技部973计划、国家自然科学基金委、中组部千人计划青年项目以及天文与空间科学学院启动经费等项目的支持。

该工作主要得到国家自然科学基金杰青、重点、江苏省杰青及B类先导专项等的资助,已在《天体物理学快报》正式发表。

图2. 由GRB 170817A 及 GW170817计算得到的低光度伽玛暴发生率和致密星并合的发生率。

考虑到伽马暴本身的辐射起源尚不清楚,中国科学院紫金山天文台的一个研究组把目光转向了晚期余辉的统计研究,以图建立GW170817与明亮短暴的直观观测联系。这是因为如果GW170817产生与明亮短暴类似的喷流,由于喷流的运动方向偏离观测者视线,因此在伽马暴阶段以及早期余辉阶段所探测到的辐射都会被压低。相对论性的伽马暴喷流在扫过暴周介质时会逐渐减速。当喷流的洛伦兹因子低于之后,此时的相对论集束效应不再重要;也就是说不同视线方向的喷流的余辉辐射非常相似,都进入非常快速的下降阶段。

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在2017年之前,短暴的一些观测特征,尤其是在少数几例短暴中发现的“巨新星/千新星”强烈支持短暴的中子星并合起源模型。因此,学界公认中子星并合的高频引力波信号会与短暴成协,但一般认为成协的概率很低,约为1%。在首例双中子星并合的引力波事件中就探测到后随的短暴,的确出乎所有人的意料。值得指出的是GRB 170817A尽管是一个短暴,但所观测的各向同性辐射能量仅为1046-1047 erg,比之前探测到的最暗的短暴要低2个数量级。所以并不清楚GW170817这样的中子星并合事件是否真的能产生宇宙更深处的那些“明亮”短暴。

(天文与空间科学学院 科学技术处)

2.费米伽玛射线空间望远镜与国际伽玛射线天体物理实验室也侦测到短暂的伽马射线暴“GRB 170817A”,其发生在并合事件后的1.7秒时刻。这些探测器对于定位的灵敏度很有限,然而,它们给出的空间方向范围与引力波探测器给出的方向范围相互重叠,两个事件之间相隔短暂的1.7秒。

除了对引力波事件GW170817/GRB 170817A研究外,张彬彬老师自加入天文与空间科学学院戴子高教授课题组以来,还以观测数据的处理和分析为基础和切入点,开展了多个课题的科学研究。张彬彬老师联合南京大学、北京大学、中山大学、紫金山天文台等国内相关单位以及美国、英国、西班牙、俄罗斯、韩国等多个国家的天文研究机构,开展了“三胞胎”伽玛暴GRB 160625B的观测与理论研究,相关成果以“Transition from fireball to Poynting-flux-dominated outflow in the three-episode GRB 160625B”为题于2018年1月31日发表在《自然·天文学》杂志上(https://www.nature.com/articles/s41550-017-0309-8)。这项研究工作详尽分析了GRB金沙澳门官网dkk, 160625B时间分辨谱和多波段观测数据,指出这类由前兆辐射、瞬时辐射和延展辐射按照演化序列构成的完整伽玛暴可能具有一定的普遍性,因此GRB 160625可能是对人们深刻理解伽玛暴物理的一个非常关键的“原型”伽玛暴。

GW170817是LIGO和VIRGO在2017年8月17日观测到的引力波事件,其出自于两个中子星并合在一起。在此之前观测到的几次引力波事件都是出自于两个黑洞并合。这次中子星并合事件的后续电磁现象也被很多种不同波段的望远镜观测到,这标志着多信使天文学的新纪元已经来临。在天文学里,GW170817是划时代的里程碑事件。在正式宣布合并事件的那一天,吸引了全世界共襄盛举。超过70台陆基或空基天文台的望远镜对于这次事件进行观测。

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引力波信号持续长达100秒,显示出两个中子星并合所展现出的强度与频率。通过三角测量与数据分析,从引力波抵达LIGO汉福德、LIGO利文斯顿与VIRGO这三个探测器位置在时间方面的延迟 ,可以准确地给出波源的大致角度方向。

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