“挖宝”千新星 丨 相对“论”_风闻

【欢迎关注中科院之声公众号（ID：zkyzswx）或微博@中科院之声，看科学界的大事儿】

北京时间10月8日凌晨，《自然-天文学》（Nature Astronomy）在线发表中国科学院紫金山天文台领衔的一个中意国际合作团队的最新研究成果：在伽玛射线暴GRB 070809中证认出新的引力波事件光学对应体。这是该团队从历史数据中挖掘出的第3例新发现。（详见“科学家证认出新的引力波事件光学对应体”）

中子星并合过程不但产生强的引力波，也可能产生短时标伽玛暴（短暴）、千新星（也称巨新星）等电磁辐射对应体。其中伽玛暴一般来自于并合形成的黑洞喷射出的极端相对论性喷流，所以和引力波信号的成协率低；而千新星是由中子星并合过程抛射的超铁元素（比铁重的元素）的放射性衰变所产生的红外、光学暂现源，它的辐射大致是各向同性的，和引力波信号的成协率高。因此，千新星是最具探测前景的引力波事件电磁辐射对应体，并有助于解锁“超铁元素的起源”这一现代宇宙物理学领域的重大科学问题。 

短暴或长短暴、引力波信号、千新星（巨新星）信号的关联性示意图 | 图源：紫金山天文台

自2017年8月发现国际首例（也是迄今唯一一例）引力波与千新星成协事件GW170817/AT2017gfo之后，国际天文界对引力波事件电磁对应体，尤其是千新星的搜寻热情空前高涨。多台先进的4米级、8-10米级望远镜都毅然投入大量时间进行电磁对应体的搜索。遗憾的是，迄今颗粒无收。

中意科学家组成的一个国际团队则另辟蹊径，通过对“已可公开获取的短暴历史数据”系统分析“挖宝”，迄今该团队共证认出3.5例引力波事件光学对应体，占国际上迄今已证认事例的近一半。其中0.5例是指该团队短暴中发现一些疑似千新星的迹象，后得到其他团队更多数据的支持和证认。

下面就让我们随科学记者小紫（以下简称“紫”）一起和该论文一作——中国科学院紫金山天文台金志平研究员（以下简称“金”）——来一场相对“论”。

紫：怎么确认找到了新的引力波电磁对应体？

金：千新星是非常可靠的中子星并合事件探针，发现了千新星，就意味着找到了引力波电磁对应体。

紫：那么千新星又是如何从观测上被确认的呢？

金：确认千新星最可靠的方式通过拍摄光谱认证。其它方式还有多波段测光得到谱能量分布、多波段光变曲线，可以从流量、能谱和光变行为等多方面认证。

紫：研究千新星有什么科学意义？

金：千新星的观测发现为引力波事件提供精确方位和红移等关键信息，它是引力波天文研究中的重要角色。另外，千新星的探测距离比LIGO/Virgo探测器所能探测中子星并合事件的距离更远，因此将会在揭示较高红移暂现源的中子星并合起源方面发挥关键作用。同时，千新星也是解锁“超铁元素起源”之谜的钥匙。

紫：新闻稿里说这个千新星的X射线能谱很硬，到底是什么意思？

金：高能天体物理中的，能谱表示的是不同能量的粒子数分布，大体服从幂律谱分布（在双对数图上近似直线），能量越高，粒子数目越少。能谱的“硬”和“软”指得是其中高能量粒子比例的多和少，能谱“硬”意味着高能量粒子的比例高，能谱看上去比较“平”。在光学波段，习惯上用“蓝”和“红”表示。我们统计了约10例有早期X射线和光学能谱的短暴，发现GRB 070809的X射线能谱（下图中红蓝箭头所指的两条线）比其他短暴的能谱都要“平”。

明亮短暴的早期光学、X射线能谱对比图。GRB 070809具有最软（红）的光学谱及最硬的X射线谱。| 图源：紫金山天文台/Nature Astronomy

紫：这次在GRB 070809中找到的千新星有什么特别的意义？

金：同时创造多项千新星观测新纪录：观测开始时间最早、温度最低、距离宿主星系最远等。

观测时间最早：中子星并合后约0.47天即开始观测，甚至略早于首例探测到引力波电磁对应体的双中子星并合事件GW170817（约0.5天）。此前人们普遍认为，除非像GRB 170817A那样的伽玛暴喷流偏离了地球观测者方向，短暴喷流正对着我们的情况下，伽玛暴余辉的辐射会很强，因此要寻找千新星，需要从暴后数天的观测数据中去找。我们的发现表明，在一些特殊的暴中，余辉较弱，可以较早地发现千新星，这对未来的观测是一个很有意义的启示。

温度最低：迄今为止，能得到温度测量的千新星样本并不多，有早期测量的更少。此前，仅有与GW170817成协的千新星有早期测量，0.5天左右的温度为10000K左右。而我们这次在GRB 070809中发现的千新星约0.47天时仅5800K，意味着它可能代表了千新星一个新的亚类。

距离宿主星系最远：之前发现的千新星（候选体）都发生在宿主星系中或边缘，而此次是首次在宿主星系外面发现千新星信号，意味着产生GRB 070809的双中子星系统具有较高的“踢出速度”（kick velocity）或者是很长的并合时标。

最后，尤其值得一提的是，前两个之最——GRB 070809余辉较弱和温度较低， 都与第三个之最——距离宿主星系较远（因此周围介质密度低），在理论上自洽。

紫：为什么会想到去历史数据中“挖宝”？

金：我们很早就意识到千新星观测对引力波天文研究和“超铁元素起源”之谜的重要意义。然而，受限于很少的几例观测样本，我们对千新星本身性质的认识还很贫乏。我们积极寻求国际合作机会，申请VLT等国际大型设备的时间去追踪引力波电磁对应体。在首例双中子星并合引力波事件GW170817电磁对应体的国际追踪中有重要贡献。

然而，千新星是暂现源，能够及时追踪的引力波事件又很有限，因此即使用性能卓越的国际大型望远镜，要发现千新星也绝非易事，更何况这些望远镜的观测时间是非常之精贵。坐等，只能错失良机，肯定不行。于是我们决定另辟蹊径：既然中子星并合同时产生千新星和短暴，那么何不从短暴入手，从已知短暴的多波段历史数据去找千新星的踪影呢？！中意合作千新星“挖宝”国际战队应运而生。

紫：你们这支国际“挖宝”战队的高效率背后有什么诀窍吗？

金：我们的“挖宝”国际战队组建始于2014年，长期开展相应的可公开获取数据的系统分析，包括凯克望远镜（Keck，位于夏威夷的10米口径光学望远镜）、哈勃空间望远镜（HST）的光学数据和NASA雨燕（Swift）空间望远镜的X射线数据等，开创了潜心致力于通过分析历史数据发现千新星这一新领域。

Keck望远镜拍到的GRB 070809图像（黑线相交处 / 暴后a. 0.47天，b. 1.47天） | 图源：紫金山天文台/Nature Astronomy

紫：对下一步工作有什么预期？

金：接下来我们希望通过各种途径发现更多的千新星，尤其是希望利用我国的设备开展观测研究。对于我们之前提到的几个科学问题，样本越多，就会有越全面的理解。

**来源：**中国科学院紫金山天文台