千新星探测能力和观测策略研究

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随着第二代引力波探测器LIGO与Virgo的建成与运行,人们成功直接探测到引力波并检验了广义相对论。作为一种新的观测手段,引力波以一种全新信使的形式帮助人们观测并研究宇宙中致密双星并合事件。目前为止,在引力波探测器LIGO和Virgo探测到的致密双星并合事件中,致密星的质量小至与太阳质量相当的双中子星,大至几百太阳质量的双黑洞。2017年8月17日,LIGO和Virgo成功探测到了一个双中子星并合的引力波事件,伴随此次引力波事件的短伽玛暴在1.74 s后被探测到。并合事件发生之后,人们又成功在紫外-光学-近红外波段对其光学对应体进行了长达30天的后随观测。通常双致密星(双中子星或者中子星黑洞)并合产生的亮度为普通新星光度1000倍的暂现源被称为千新星。在本文中,千新星特指由双中子星并合产生的暂现源。这是人类迄今为止第一次观测到被引力波和短伽玛暴验证的千新星。对电磁对应体的观测可以帮助我们限制中子星的物态方程并研究千新星中的化学元素演化。此类源还可以被用作标准汽笛限制宇宙学参数。将千新星的观测与数值相对论的结果结合,未来通过引力波预测千新星光变曲线成为可能。随着位于日本的神冈引力波探测器(KAGRA)的加入以及位于青海冷湖台址的大视场巡天望远镜(WFST)的即将建成,在即将到来的O4阶段,WFST的大视场特色使其特别有利于双中子星并合电磁对应体的后随搜寻。本文中,我们模拟红移z<0.2的双中子星并合,分别考虑含激波振荡和多种盘风的千新星模型,生成相应的千新星光变曲线。根据这些光变曲线,我们分别分析了 WFST、大型综合巡天望远镜(LSST)和中国空间站巡天空间望远镜(CSST)对红移z<0.2的模拟千新星源的观测能力。我们发现,无论采用何种模型,LSST和WFST的最佳观测波段都是g波段,该波段可观测的源最多。同时如果采用双波段联合观测,两种模型预言,WFST与LSST的最佳观测策略为:首先通过g/r波段搜寻事件,之后通过r/i波段搜寻。然而,不同模型预言的滤波片切换时间略有不同,含激波振荡的模型与含两种盘风的模型所预言的切换时间分别为并合后1.5天与并合后2天。对于采用深度无缝光谱观测的CSST,含激波振荡机制的模型与含两种盘风的模型分别预言,GU波段只能在前1.5天与前2天观测到事件,GV波段只能在前3.5天与前4天观测到事件、GI波段能观测到事件的时间最长。两种模型预言的可观测事件在波段的分布是不同的,以CSST为例,含激波振荡机制的模型预言,GV和GI波段能观测到的事件数相当;而含两种盘风的模型预言,GI波段能观测到的事件数最多,比GV波段多30%。对于激波振荡机制的结构化千新星模型,我们还研究了观测倾角对光变曲线的影响,发现质量比q>0.8的源,当观测倾角不同时,光变曲线的变化比较明显。
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