科學家證認出新的引力波事件光學對應體

　　一個由中國科學院紫金山天文臺、意大利國立天體物理研究院、貴州大學組成的國際合作團隊在短時標伽瑪射線暴（簡稱短暴）GRB 070809中新發現一例千新星候選體，該工作已被《自然-天文學》（Nature Astronomy）在線發表。

　　中子星并合過程不但產生強的引力波，也可能產生伽瑪暴、千新星（也稱巨新星）等電磁輻射對應體。其中伽瑪暴一般來自于并合形成的黑洞噴射出的極端相對論性噴流，所以和引力波信號的成協率低；而千新星是由中子星并合過程拋射的超鐵（也就是比鐵重的）元素的放射性衰變所產生的紅外、光學暫現源，它的輻射大致是各向同性的，和引力波信號的成協率高。因此千新星是最具探測前景的引力波事件電磁輻射對應體，有助于解決“超鐵元素的起源”這一現代宇宙物理學領域的重大科學問題。全靈敏度運行的先進LIGO/Virgo探測器對能產生電磁輻射信號的中子星并合事件的探測紅移不超過0.2，而千新星的探測距離可以更遠，因此在揭示一些較高紅移處的暫現源的中子星并合起源方面將發揮關鍵作用。

　　國際上首例，也是迄今唯一一例引力波與千新星成協事件為GW170817/AT2017gfo。此后，對引力波事件的電磁對應體，尤其是千新星的搜尋熱情空前高漲。例如對中子星黑洞并合事件GW190814，引力波探測器給出了23平方度的準確定位但宣稱有強的證據表明此次并合沒有物質拋射，國際上8-10米級望遠鏡VLT、Keck、GTC，4米級望遠鏡DES、WHT等都毅然投入了大量時間進行電磁對應體的搜索。遺憾的是，LIGO/Virgo的O3運行期已過半，但尚未發現與引力波事件/千新星成協事例。考慮到國內與國際在千新星探測設備上的差距，中意科學家組成的一個國際團隊另辟蹊徑，通過對一些“已可公開獲取的短暴的歷史數據”的系統分析來證認引力波事件光學對應體。

　　該團隊的最新研究對象為短暴GRB 070809。這個暴的數據較少，因此過去12年里沒有任何相關論文發表。但紫金山天文臺研究員金志平等人研究發現，這個暴的X射線輻射能譜很硬，且隨著時間在變硬。而通常情況下，伽瑪暴的X射線余輝的能譜較軟，并且隨時間會變軟。此外，GRB 070809的光學輻射能譜很紅。在伽瑪暴標準余輝模型下，光學余輝能譜不會軟于X射線能譜，除非遭受了嚴重的塵埃消光。由于該方向上銀河系的消光很小，所以強的消光只可能由宿主星系貢獻。但哈勃望遠鏡的深度曝光觀測表明GRB 070809發生在其宿主星系外面，因此不存在強的消光。另外X射線的數據分析表明該方向上的氫柱密度與銀河系的貢獻高度吻合，也意味著源的周圍沒有大量的塵埃。綜合這些信息，金志平等人指出GRB 070809是一個發生在宿主星系外面的具有奇特光學、X射線輻射能譜的短暴。與其它短暴相比，GRB 070809有著最軟的光學輻射和最硬的X射線譜（圖1），無法在正向激波余輝模型中得到解釋。作者們認為X射線的奇特能譜行為可能反應了中心引擎的長期活動，而極軟的光學輻射可以自然地解釋為千新星的黑體譜。如果這些解釋正確，GRB 070809的所有X及光學輻射都不是來自于伽瑪暴的外激波輻射，這與該暴誕生在宿主星系之外、暴周介質密度極低的推斷相一致。

　　金志平等人還統計了現階段具有紅移測量的千新星（及候選體）的性質，發現早期千新星輻射區的溫度及速度可能有較寬的分布范圍，AT2017gfo可能并不典型(見圖2)并且千新星輻射可能有亞類。考慮到LIGO/Virgo的觀測表明中子星并合率高達~1000Gpc-3yr-1，并且2022之后由于LIGO-India的加入引力波事件的定位精度將大幅度提升，因此幾年內人們將擁有一個較大的千新星樣本，從而更全面地了解相關物理性質。

　　該項研究得到國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金以及中科院前沿科學重點研究項目和戰略先導專項B的資助。

圖1. 一些明亮短暴的早期光學、X射線能譜對比圖。注意AT2017gfo是與GW170817/GRB 170817A成協的千新星，具有黑體譜。與其它伽瑪暴相比，GRB 070809具有最軟的光學譜及最硬的X射線譜。GRB 070809的紅移z尚不確定，如果z=0.22，則其與AT2017gfo，GRB 160821B和GRB 061201的光學輻射譜頗為類似。如果z=0.47，則該千新星比同時期的AT2017gfo亮5倍左右。

圖2. 已知紅移暴及GRB 070809中的千新星（候選體）的性質對比。L代表光度，Tint和t’分別代表紅移修正后的溫度與時間，βΓ代表的是輻射區的速度(以光速為單位)。從圖可見，早期千新星的輻射區的溫度及速度可能有較寬的分布范圍。