首例中子星并合引力波事件GW170817與明亮短暴的直觀聯系

　　2017年8月17日激光干涉引力波天文臺LIGO/Virgo首次直接探測到了雙中子星并合事件的引力波輻射。在LIGO/Virgo合作組宣布其引力波信號之前，美國Fermi衛星的伽馬暴監視器(GBM)就報道了一個短時標伽馬暴(簡稱短暴)信號GRB 170817A。事實上，早在1989年科學家就曾推測雙中子星并合不僅產生引力波信號，還可能產生短暴。只是通常認為短暴的外流體運動的速度非常接近光速。由于狹義相對論的輻射集束效應以及伽馬暴外流體一般集中在一個小的張角范圍（簡稱伽馬暴噴流），所產生的伽馬暴只能在一個很小的立體角區間能夠被探測到。在2017年之前，短暴的一些觀測特征，尤其是在少數幾例短暴中發現的“巨新星/千新星”(macronova/kilonova；來自于中子星并合拋射出的大量富中子物質的快中子俘獲過程所產生的比鐵更重元素的衰變)強烈支持短暴的中子星并合起源模型。因此，學界公認中子星并合的高頻引力波信號會與短暴成協，但一般認為成協的概率很低，約為1%。在首例雙中子星并合的引力波事件中就探測到后隨的短暴，的確出乎所有人的意料。值得指出的是GRB 170817A盡管是一個短暴，但所觀測的各向同性輻射能量僅為1046-1047 erg，比之前探測到的最暗的短暴要低2個數量級（見圖1）。所以并不清楚GW170817這樣的中子星并合事件是否真的能產生宇宙更深處的那些“明亮”短暴。

　　考慮到伽馬暴本身的輻射起源尚不清楚，中國科學院紫金山天文臺的一個研究組把目光轉向了晚期余輝的統計研究，以圖建立GW170817與明亮短暴的直觀觀測聯系。這是因為如果GW170817產生與明亮短暴類似的噴流，由于噴流的運動方向偏離觀測者視線，因此在伽馬暴階段以及早期余輝階段所探測到的輻射都會被壓低。相對論性的伽馬暴噴流在掃過暴周介質時會逐漸減速。當噴流的洛倫茲因子低于之后（這里的分別為視線方向與噴流對稱軸方向的夾角以及噴流的半張角），此時的相對論集束效應不再重要；也就是說不同視線方向的噴流的余輝輻射非常相似，都進入非常快速的下降階段（一般認為衰減率是，其中是激波加速的電子的冪律能譜指數）。

　　基于這一考慮，紫金山天文臺的研究組統計了一些具有可靠紅移測量的明亮短暴的X射線光學和射電余輝并將它們的晚期快下降階段輻射與GW170817/GRB 170817A的極晚期快速下降進行了對比分析。如圖2所示，如果將所有的源都放到200Mpc的觀測距離上，明亮短暴的快下降階段的X射線余輝輻射和GW170817/GRB 170817A的極晚期快速下降X射線余輝數據形成了一個自然的連續序列。如果GW170817/GRB 170817A是一個正軸事件(也就是)的話，那么它將是最亮的X射線余輝輻射之一（見圖2的右半部分）。對于光學和射電的數據統計，盡管樣本較小，也有同樣的結論。

　　這個統計不但直觀地建立了GW170817與明亮短暴的聯系，而且告訴人們對于將來的大多數雙中子星并合引力波事件其余輝輻射的探測要比GW170817的更難，因為大部分雙中子星并合將發生在更遠處，而且可能更大，這些都會降低輻射的亮度。少數雙中子星并合事件可能具有更小的，那樣的源將有助于填補圖2中呈現的觀測“間斷”(也就是30-150天之間目前還沒有“快下降階段”數據)。

　　該工作主要得到國家自然科學基金杰青、重點、江蘇省杰青及B類先導專項等的資助，已在《天體物理學快報》(The Astrophysical Journal Letters)正式發表。

圖1：一些已知紅移的短暴的各向同性輻射能量的分布。藍色標識的那些源是圖2中的那些具有長期X射線余輝輻射的源。從此圖可見，GRB 170817A顯著弱于其它的“明亮”短暴(圖取自Duan et al. 2019)。

圖2：將一些具有紅移的明亮短暴以及GW170817/GRB 170817A的X射線余輝輻射移到一個共同的觀測距離200Mpc后的統計圖(圖取自Duan et al. 2019)。顯然，晚期快下降的數據形成了一個自然的序列。紅虛線示意的是GW170817在正軸觀測情況下的X射線流量隨時間的演化。顯而易見，它將是最亮的X射線余輝之一。