A long-standing paradigm in astrophysics is that collisions- or mergers- of two neutron stars (NSs) form highly relativistic and collimated outflows (jets) powering gamma-ray bursts (GRBs) of short (< 2 s) duration. However, the observational support for this model is only indirect. A hitherto outstanding prediction is that gravitational wave (GW) events from such mergers should be associated with GRBs, and that a majority of these GRBs should be off-axis, that is, they should point away from the Earth. Here we report the discovery of the X-ray counterpart associated with the GW event GW170817. While the electromagnetic counterpart at optical and infrared frequencies is dominated by the radioactive glow from freshly synthesized r-process material in the merger ejecta, known as kilonova, observations at X-ray and, later, radio frequencies exhibit the behavior of a short GRB viewed off-axis. Our detection of X-ray emission at a location coincident with the kilonova transient provides the missing observational link between short GRBs and GWs from NS mergers, and gives independent confirmation of the collimated nature of the GRB emission.

Abstract We report the discovery and monitoring of the near-infrared counterpart (AT2017gfo) of a binary neutron-star merger event detected as a gravitational wave source by Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO)/Virgo (GW170817) and as a short gamma-ray burst by Fermi Gamma-ray Burst Monitor (GBM) and Integral SPI-ACS (GRB 170817A). The evolution of the transient light is consistent with predictions for the behavior of a “kilonova/macronova” powered by the radioactive decay of massive neutron-rich nuclides created via r -process nucleosynthesis in the neutron-star ejecta. In particular, evidence for this scenario is found from broad features seen in Hubble Space Telescope infrared spectroscopy, similar to those predicted for lanthanide-dominated ejecta, and the much slower evolution in the near-infrared  K s -band compared to the optical. This indicates that the late-time light is dominated by high-opacity lanthanide-rich ejecta, suggesting nucleosynthesis to the third r -process peak (atomic masses  A ≈ 195 ). This discovery confirms that neutron-star mergers produce kilo-/macronovae and that they are at least a major—if not the dominant—site of rapid neutron capture nucleosynthesis in the universe.

With the first direct detection of merging black holes in 2015, the era of gravitational wave (GW) astrophysics began. A complete picture of compact object mergers, however, requires the detection of an electromagnetic (EM) counterpart. We report ultraviolet (UV) and X-ray observations by Swift and the Nuclear Spectroscopic Telescope ARray (NuSTAR) of the EM counterpart of the binary neutron star merger GW170817. The bright, rapidly fading ultraviolet emission indicates a high mass ($\approx0.03$ solar masses) wind-driven outflow with moderate electron fraction ($Y_{e}\approx0.27$). Combined with the X-ray limits, we favor an observer viewing angle of $\approx 30^{\circ}$ away from the orbital rotation axis, which avoids both obscuration from the heaviest elements in the orbital plane and a direct view of any ultra-relativistic, highly collimated ejecta (a gamma-ray burst afterglow).

The electromagnetic transients accompanying compact binary mergers ($\gamma$-ray bursts, afterglows and 'macronovae') are crucial to pinpoint the sky location of gravitational wave sources. Macronovae are caused by the radioactivity from freshly synthesised heavy elements, e.g. from dynamic ejecta and various types of winds. We study macronova signatures by using multi-dimensional radiative transfer calculations. We employ the radiative transfer code SuperNu and state-of-the-art LTE opacities for a few representative elements from the wind and dynamical ejecta (Cr, Pd, Se, Te, Br, Zr, Sm, Ce, Nd, U) to calculate synthetic light curves and spectra for a range of ejecta morphologies. The radioactive power of the resulting macronova is calculated with the detailed input of decay products. We assess the detection prospects for our most complex models, based on the portion of viewing angles that are sufficiently bright, at different cosmological redshifts ($z$). The brighter emission from the wind is unobscured by the lanthanides (or actinides) in some of the models, permitting non-zero detection probabilities for redshifts up to $z=0.07$. We also find the nuclear mass model and the resulting radioactive heating rate are crucial for the detectability. While for the most pessimistic heating rate (from the FRDM model) no reasonable increase in the ejecta mass or velocity, or wind mass or velocity, can possibly make the light curves agree with the observed nIR excess after GRB130603B, a more optimistic heating rate (from the Duflo-Zuker model) leads to good agreement. We conclude that future reliable macronova observations would constrain nuclear heating rates, and consequently help constrain nuclear mass models.

Abstract We present a set of 1194 Type-1 Rosseland-mean opacity tables for four different metallicity mixtures. These new Los Alamos OPLIB atomic radiative opacity tables are an order of magnitude larger in number than any previous opacity table release, and span regimes where previous opacity tables have not existed. For example, the new set of opacity tables expands the metallicity range to Z = 10 −6 to Z = 0.2, which allows improved accuracy of opacities at low and high metallicity, increases the table density in the metallicity range Z = 10 −4 to Z = 0.1 to enhance the accuracy of opacities drawn from interpolations across neighboring metallicities, and adds entries for hydrogen mass fractions between X = 0 and X = 0.1 including X = 10 −2 , 10 −3 , 10 −4 , 10 −5 , 10 −6 that can improve stellar models of hydrogen deficient stars. We implement these new OPLIB radiative opacity tables in MESA and find that calibrated solar models agree broadly with previously published helioseismic and solar neutrino results. We find differences between using the new 1194 OPLIB opacity tables and the 126 OPAL opacity tables range from ≈20% to 80% across individual chemical mixtures, up to ≈8% and ≈15% at the bottom and top of the solar convection zone respectively, and ≈7% in the solar core. We also find differences between standard solar models using different opacity table sources that are on par with altering the initial abundance mixture. We conclude that this new, open-access set of OPLIB opacity tables does not solve the solar modeling problem, and suggest the investigation of physical mechanisms other than the atomic radiative opacity.

Kilonovae are the electromagnetic transients created by the radioactive decay of freshly synthesized elements in the environment surrounding a neutron star merger. To study the fundamental physics in these complex environments, kilonova modeling requires, in part, the use of radiative transfer simulations. The microphysics involved in these simulations results in high computational cost, prompting the use of emulators for parameter inference applications. Utilizing a training set of 22 248 high-fidelity simulations (composed of 412 unique ejecta parameter combinations evaluated at 54 viewing angles), we use a neural network to efficiently train on existing radiative transfer simulations and predict light curves for new parameters in a fast and computationally efficient manner. Our neural network can generate millions of new light curves in under a minute. We discuss our emulator's degree of off-sample reliability and parameter inference of the AT2017gfo observational data. Finally, we discuss tension introduced by multiband inference in the parameter inference results, particularly with regard to the neural network's recovery of viewing angle. Published by the American Physical Society 2024

Abstract Neutron star surfaces have extremely high magnetic fields. In the atmosphere, the broadening of spectral lines will be substantial from the dense plasma as well as from the magnetic field. One broadening mechanism of note is due to the motional Stark effect (MSE)—an additional electric field that arises from the motion of the atom in the magnetic field. However, approximate formulae are often used to construct atmosphere models, and the MSE is assumed to be the dominant line-broadening mechanism even in ions. Detailed pressure-broadening models in these extreme magnetic fields are now currently being developed. In these more detailed models, it was suggested that the MSE may not be as large as previously predicted. If correct, this hypothesis implies that neutron star line widths might be dominated by pressure broadening rather than by motional Stark broadening. We find that, in the absence of plasma perturbations, for typical magnetic fields ( B = 10 12 G), mid- Z elements, such as oxygen, have motional Stark widths of order 1 eV for transitions between dipole-allowed transitions from the ground state, though higher temperatures and transitions to higher-energy states are expected to have more broadening. The MSE also breaks down selection rules, giving rise to forbidden transitions, which have much larger widths. When plasma perturbations are included, we find that the plasma perturbation and motional Stark processes are not independent and, as a result, the spectral lines become narrow in a nontrivial way and display harmonics of the ion cyclotron frequency.