2017年引力波的中子星合并584天后,可见光最终消失了?

2017年两颗中子星强大合并的历史性探测最后一章正式完成,在极明亮的爆发最终褪色之后,由西北大学领导的一个国际团队煞费苦心地构建了余辉,这是这一著名事件生命周期的最后一点。产生的图像不仅是迄今为止中子星碰撞余辉的最深照片,还揭示了有关合并的起源,创造的喷流和更短伽马射线爆发本质的秘密。这是我们在可见光下对这一事件进行的最深入曝光,图像越深,可以获得的信息就越多。
其研究成功已发表在《arxiv》上,并将于本月发表在《天体物理学快报》上,研究作者Fong是西北大学温伯格艺术和科学学院的物理和天文学助理教授,也是Ciera(天体物理学跨学科探索和研究中心)的成员,该中心是西北大学的一个捐赠研究中心,专注于推进研究,重点是跨学科的联系。许多科学家认为2017年的中子星合并,被称为GW170817,是LIGO(激光干涉仪引力波天文台)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。

在引力波和电磁光中都检测到,这也是有史以来第一次在这两种形式的辐射之间进行多信号观测。GW170817发出的光被检测到,部分原因是它就在附近,这使得它非常明亮,而且相对容易找到。当中子星碰撞时,它们发射出比经典新星亮1000倍的千伏光,这是由于合并后形成的重元素造成。但正是这种亮度使得它的余辉(由以接近光速飞行的喷流,撞击周围环境)如此难以测量。可以肯定的是,在合并大约100天后,余辉非常微弱,只能用最灵敏的望远镜来捕捉它。

哈勃太空望远镜来帮忙

从2017年12月开始,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又重新观测了合并地点10次。在2019年3月底,研究团队使用哈勃获得了最终图像和迄今为止最深的观测。在七个半小时的过程中,望远镜记录了发生中子星碰撞的天空图像。由此产生的图像显示(在中子星合并后584天)合并后发出的可见光最终消失了。接下来,研究团队需要去除周围星系的亮度,以便隔离事件中极其微弱的余辉。
博士后研究员、该研究的第二作者彼得·布兰查德说:为了准确测量余辉中的光线,必须去除所有其他光线。最大的罪魁祸首是来自银河系的光污染,这在结构上极其复杂。通过使用全部10张图像来应对挑战,在这些图像中,余辉仍然存在,以及最终的深哈勃图像。研究小组将深哈勃图像叠加在10张余辉图像中的每一张上,然后,使用一种算法,从早期的余辉图像中逐个像素地减去哈勃图像中的所有光线。结果是:最终的时间序列图像,显示了微弱的余辉,没有来自背景星系的光污染。

与模型预测完全一致,它是迄今为止GW170817可见光余辉最准确的成像时间序列。亮度的演化完全符合喷流理论模型,它也与无线电和X光告诉我们的完全一致。通过哈勃望远镜的深空图像,合作者们收集了关于GW170817所在星系的新见解。也许最引人注目的是,注意到合并周围的区域并没有密集的星团。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和合并,观察表明,中子星合并绝对不是这种情况。

根据这张新图片,研究人员还认为,被称为短伽马射线爆发的遥远宇宙爆炸,实际上是中子星合并,只是从不同的角度来看。两者都会产生相对论喷流,它们就像一条材料的消防软管,以接近光速的速度传播。天体物理学家通常在直接瞄准伽马射线爆发时看到喷流,就像直接盯着消防水管一样。但是GW170817是从一个30度的角度观察,这是以前从未在光学波长上做过的。新的时间序列表明,GW170817和远距离短伽马射线爆发的主要区别在于视角。