The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. II. UV, Optical, and Near-infrared Light Curves and Comparison to Kilonova Models
P.S. Cowperthwaite
,
E. Berger
,
V.A. Villar
,
B.D. Metzger
,
M. Nicholl
,
R. Chornock
,
P.K. Blanchard
,
W. Fong
,
R. Margutti
,
M. Soares-Santos
,
K.D. Alexander
,
S. Allam
,
J. Annis
,
D. Brout
,
D.A. Brown
,
R.E. Butler
,
H.-Y. Chen
,
H.T. Diehl
,
Z. Doctor
,
M.R. Drout
,
T. Eftekhari
,
B. Farr
,
D.A. Finley
,
R.J. Foley
,
J.A. Frieman
,
C.L. Fryer
,
J. García-Bellido
,
M.S.S. Gill
,
J. Guillochon
,
K. Herner
,
D.E. Holz
,
D. Kasen
,
R. Kessler
,
J. Marriner
,
T. Matheson
,
E. Quataert
,
A. Palmese
,
A. Rest
,
M. Sako
,
D.M. Scolnic
,
N. Smith
,
D.L. Tucker
,
P.K.G. Williams
,
E. Balbinot
,
J.L. Carlin
,
E.R. Cook
,
F. Durret
(1)
,
T.S. Li
,
P.A.A. Lopes
,
A.C.C. Lourenço
,
J.L. Marshall
,
G.E. Medina
,
J. Muir
,
R.R. Muñoz
,
M. Sauseda
,
D.J. Schlegel
,
L.F. Secco
,
A.K. Vivas
,
W. Wester
,
A. Zenteno
,
Y. Zhang
,
T.M.C. Abbott
,
M. Banerji
,
K. Bechtol
,
A. Benoit-Lévy
(1)
,
E. Bertin
(1)
,
E. Buckley-Geer
,
D.L. Burke
,
D. Capozzi
,
A. Carnero Rosell
,
M. Carrasco Kind
,
F.J. Castander
,
M. Crocce
,
C.E. Cunha
,
C.B. d'Andrea
,
L.N. da Costa
,
C. Davis
,
D.L. Depoy
,
S. Desai
,
J.P. Dietrich
,
A. Drlica-Wagner
,
T.F. Eifler
,
A.E. Evrard
,
E. Fernandez
,
B. Flaugher
,
P. Fosalba
,
E. Gaztanaga
,
D.W. Gerdes
,
T. Giannantonio
,
D.A. Goldstein
,
D. Gruen
,
R.A. Gruendl
,
G. Gutierrez
,
K. Honscheid
,
B. Jain
,
D.J. James
,
T. Jeltema
,
M.W.G. Johnson
,
M.D. Johnson
,
S. Kent
,
E. Krause
,
R. Kron
,
K. Kuehn
,
N. Nuropatkin
,
O. Lahav
,
M. Lima
,
H. Lin
,
M.A.G. Maia
,
M. March
,
P. Martini
,
R.G. Mcmahon
,
F. Menanteau
,
C.J. Miller
,
R. Miquel
,
J.J. Mohr
,
E.H. Neilsen
,
R.C. Nichol
,
R.L.C. Ogando
,
A.A. Plazas
,
N. Roe
,
A.K. Romer
,
A. Roodman
,
E.S. Rykoff
,
E. Sanchez
,
V. Scarpine
,
R. Schindler
,
M. Schubnell
,
I. Sevilla-Noarbe
,
M. Smith
,
R.C. Smith
,
F. Sobreira
,
E. Suchyta
,
M.E.C. Swanson
,
G. Tarle
,
D. Thomas
,
R.C. Thomas
,
M.A. Troxel
,
V. Vikram
,
A.R. Walker
,
R.H. Wechsler
,
J. Weller
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B. Yanny
,
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Résumé
We present UV, optical, and near-infrared (NIR) photometry of the first electromagnetic counterpart to a gravitational wave source from Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO)/Virgo, the binary neutron star merger GW170817. Our data set extends from the discovery of the optical counterpart at 0.47–18.5 days post-merger, and includes observations with the Dark Energy Camera (DECam), Gemini-South/FLAMINGOS-2 (GS/F2), and the Hubble Space Telescope (HST). The spectral energy distribution (SED) inferred from this photometry at 0.6 days is well described by a blackbody model with $T\approx 8300$ K, a radius of $R\approx 4.5\times {10}^{14}$ cm (corresponding to an expansion velocity of $v\approx 0.3c$), and a bolometric luminosity of ${L}_{\mathrm{bol}}\approx 5\times {10}^{41}$ erg s(−)(1). At 1.5 days we find a multi-component SED across the optical and NIR, and subsequently we observe rapid fading in the UV and blue optical bands and significant reddening of the optical/NIR colors. Modeling the entire data set, we find that models with heating from radioactive decay of (56)Ni, or those with only a single component of opacity from r-process elements, fail to capture the rapid optical decline and red optical/NIR colors. Instead, models with two components consistent with lanthanide-poor and lanthanide-rich ejecta provide a good fit to the data, the resulting “blue” component has ${M}_{\mathrm{ej}}^{\mathrm{blue}}\approx 0.01\,{M}_{\odot }$ and ${v}_{\mathrm{ej}}^{\mathrm{blue}}\approx 0.3\,{\rm{c}}$, and the “red” component has ${M}_{\mathrm{ej}}^{\mathrm{red}}\approx 0.04\,{M}_{\odot }$ and ${v}_{\mathrm{ej}}^{\mathrm{red}}\approx 0.1\,{\rm{c}}$. These ejecta masses are broadly consistent with the estimated r-process production rate required to explain the Milky Way r-process abundances, providing the first evidence that binary neutron star (BNS) mergers can be a dominant site of r-process enrichment.