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2016-6-11

费米GBM事件与GW 150914的成协性考辨

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 4:16 pm

就在高新激光干涉仪引力波天文台(aLIGO)宣布发现第一个引力波事件GW 150914的当天,Connaughton et al. (2016)即指出,在GW 150914过后仅仅0.4秒,费米伽玛射线空间望远镜搭载的伽玛暴监视仪(GBM)记录下了一个持续1秒且特性与普通短暴相近的信号,其可能的发生天区与aLIGO的误差框有所重叠。假设该信号与引力波源确实成协,光是2月就至少有3种模型被陆续提出,以尝试解释双黑洞并合产生伽玛射线暴的机制;稍后Janiuk et al. (2016)又讨论了第4种渠道,也就是包含黑洞的双星系统中大质量伴星的坍缩与后续演化。但是这里最根本也是最重要的问题在于,前述成协性是否成立?虽说前阵NASA的一篇报道似乎背书了这一点,但Maxim Lyutikov在第一时间就已根据Connaughton et al. (2016)给出的成协置信度以及针对黑洞磁场的计算表示了质疑,而最近又有两篇论文从数据出发,得出了类似的结论,也就是GBM眼中的这次短暂脉冲更可能是随机过程的产物,与GW 150914毫无关系。要问理由?容我慢慢道来。

首先回顾一下费米的观测。前文已经提到过,这个信号强度较弱,没有实时触发探测器,只是在日后的数据处理中才浮出水面的,更且常规的离线搜索流程都没能发现它的踪影,只有当时间段确定之后,定向搜索才将其挖掘了出来。认为该信号和引力波事件起源一致的理由只有时间重合一条,论空间分布则是不太说得过去的:在GW 150914发生之时,aLIGO的误差框有一部分在GBM的视场中被地球遮挡,而GBM信号的最佳拟合方位则来自地球。只是鉴于GBM与aLIGO的定位精度都很差,我们并不能排除GBM的信号来自天空,且与GW 150914成协的可能性。而考虑伽玛暴的发生率以及探测器的视场,Connaughton等人认为,这个信号只有0.22%的概率与引力波事件完全无关。

GBM事件发现时,费米眼中引力波探测器aLIGO定出的GW 150914误差范围(黄色区域)与地球的位置关系。(图片提供:NASA’s Goddard Space Flight Center)

但欧洲的INTEGRAL卫星却并没有发现任何与GBM相近的事件。虽然INTEGRAL当时的视场正中远离aLIGO的误差框,但它兼职搜索伽玛暴的反符合屏蔽系统视场很大,几乎可以覆盖全天所有不受地球遮掩的部分,因此相应的结果还是可信的。由此,INTEGRAL小组报告称,与GW 150914成协的电磁对应体即使存在,其在100 keV到100 MeV能段内的流量也绝不会超过每平方厘米1.3×10-7尔格,这弱于GBM信号基于幂律谱外推得到的强度。费米组的解释是单幂律谱假设对于伽玛暴很可能并不成立,而且INTEGRAL的反符合装置灵敏度往往差于GBM,所探测到的低光度短暴数量只及后者之半,而他们的信号是真实存在的。

INTEGRAL卫星的SPI仪器反符合屏蔽层在GW 150914发生前后10秒记录下的光变曲线,可见没有任何明显可信的结构。(图片来源:Savchenko et al. 2016

最近这两篇质疑成协的文章分别来自中科院高能物理研究所的熊少林以及德国马克斯·普朗克地外物理所的J. Greiner等人,其立论依据都是GBM的原始数据。熊少林的论证基础是费米记录下的光变曲线。GBM由12台碘化钠探测器与2台锗酸铋探测器组成,可以利用子探测器针对同一事件记录下的光子差异来为暴源定位。在GW 150914发生之时,2、4、5号碘化钠探测器与0号锗酸铋探测器处在观测aLIGO误差框的有利方位上。如果考察各台子探测器的表现,诡异的事情出现了。

GBM的所有14台子探测器在GW 150914前后记录下的光变曲线。(图片来源:Connaughton et al. 2016

Connaughton等人称,这14台子探测器记录下的光子数目不存在显著差异,但均有相对背景的超出。但Connaughton et al. (2016)给出的GBM光变曲线只是所有子探测器的加权加和,而熊少林的分析则是针对正指GW 150914所在天区的4台子探测器以及其他10台分别进行的。结果是,指向适宜的4台子探测器记录下的光变曲线信号不太明显(置信度3.32σ,距离确定探测所需的5σ还是有点远),并不排除背景随机涨落的可能性;而其他指向不那么合适的子探测器反而能给出较强信号(相应光子计数占总体的三分之二,置信度超过4.5σ,而总的探测置信度是5.63σ)。作为对比,在“正常”的伽玛暴期间,GBM指向适宜的子探测器至少能够记录下6成以上的总光子计数。这样看来,这个GBM事件不大会源自GW 150914所在的天区。

上:GBM的所有14台子探测器在GW 150914前后记录下的光变曲线;中:指向适宜的2、4、5号碘化钠探测器与0号锗酸铋探测器共同记录下的光变曲线;下:其他子探测器记录下的光变曲线。(图片来源:Xiong 2016

Greiner et al. (2016)的分析集中于能谱方面,相比熊少林的工作要更加复杂一些。Connaughton等人认为GBM的这一信号能谱较硬,与短暴类似。但与正统伽玛暴不同的是,这次探测流强较弱,数据中由背景占据主导。通常对背景谱的处理方法是取事件前后的宁静期作多项式拟合再外推。对于强信号来说,背景的扣除并不麻烦;但若是弱信号,由于整个事件期间的光子计数率由泊松过程支配,选择合适的拟合方法至关重要。

Greiner等人针对GBM的观测,沿aLIGO的弧状误差框选择了10个天区重新进行了能谱拟合,发现这个疑似成协信号无论实际位于何方,其谱形都要软于通常的短暴,而更加接近天空背景。而Connaughton等人估计出的信噪比也非实测信噪比,只是乐观的估计值:假设信号的能谱为双幂律Band谱,低能谱指数为0;如若选择此次拟合得到的-1.8作为低能谱指数(典型的短暴硬于-1.4),信噪比也要大大下降,完全可以用背景的随机涨落来解释。这样,他们的结论就是费米组流量估计有误,INTEGRAL的零探测才是实情,GW 150914过后并无电磁辐射相伴。

GBM的5号碘化钠探测器记录下的信号能谱,图中蓝色表示原始总光子计数,红色表示拟合所用的背景模型,黄色表示背景与变源之和,绿色表示剩余流量。(图片来源:Greiner et al. 2016

那么GBM事件究竟要如何理解?它更有可能是费米周边带电粒子局域分布不均匀所导致的。同样需要指出的是,虽说当时费米所处的位置尚处低磁纬区域,且远离南大西洋异常带等地磁反常区,但INTEGRAL的轨道高度远高于费米,所以受近地空间磁层或宇宙线环境起伏的影响更小,更能反映高能宇宙的原本面目。而又有小道内部消息称,费米组内部也对信号的真实身份争论不休,有部分人员并不赞同其与GW 150914成协的论断,打算就此事另立门户撰文论述之。所以好戏还有待下回分解,而双黑洞是否能够并合诱发伽玛暴或其他现象,估计在今后很长一段时间内还会成为争议话题。

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