Nebular emission of Kilonovae

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K14513
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Hotokezaka Kenta 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50867033)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 重力波天文学

Outline of Final Research Achievements

The ejecta produced in neutron star mergers enters a nebular phase after the ejecta become optically thin to thermal photons This phase is referred to as the kilonova nebular phase. We studied the ionization state and energy-level population of heavy elements in the nebular phase by solving ionization and cooling balance, where the ionization and heating are determined by radioactivity of beta-unstable nuclei. We solved the balance equations in the case that the composition is represented by Nd ions. The atomic data are derived by using atomic-structure codes. We constructed an M1 line list of heavy elements based on experimentally measured energy levels. With this line list, we showed that the observed spectrum of the kilonova AT 2017gfo exhibits an emission line of doubly ionized Te at 2.1 micron.

Free Research Field

宇宙物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

2017年の中性子星合体からの重力波と電磁波の同時検出以降、中性子星合体が宇宙に存在する重元素の起源である可能性が高まっている。しかし、中性子星合体のエジェクタの物理状況がよくわかっていないことや、必要となる原子データの不足であることから、観測されたスペクトルから分光学的に元素を同定することは容易ではない。本研究課題では、これらの課題に取り組み、合体後10日以降に見られる輝線からテルルなどの重元素の特定に成功した。この成果は、重元素の起源を明らかにする上で、重要な意義がある。