[論文レビュー] Astro 2020 Science White Paper: Joint Gravitational Wave and Electromagnetic Astronomy with LIGO and LSST in the 2020's

P. S. Cowperthwaite, Hsin-Yu Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、リヒターと他の地上望遠鏡からの重力波（GW）トレガーを追跡するための専用のLSST調査時間の割り当てを提唱しており、二重中性子星およびブラックホール－中性子星合体の電磁気的対応物の迅速特定を可能にする。2020年代に重力波検出器の感度が向上するのと同時にLSSTの調査スケジュールを調整することで、著者らはこの手法が、中性子星の状態方程式を制約し一般相対性理論を検証するために不可欠な、大規模で統計的に強力なGW-EM連携事象のサンプルをもたらすことを示している。

ABSTRACT

The blossoming field of joint gravitational wave and electromagnetic (GW-EM) astronomy is one of the most promising in astronomy. The first, and only, joint GW-EM event GW170817 provided remarkable science returns that still continue to this day. Continued growth in this field requires increasing the sample size of joint GW-EM detections. In this white paper, we outline the case for using some percentage of LSST survey time for dedicated target-of-opportunity follow up of GW triggers in order to efficiently and rapidly identify optical counterparts. We show that the timeline for the LSST science survey is well matched to the planned improvements to ground based GW detectors in the next decade. LSST will become particularly crucial in the later half of the 2020s as more and more distant GW sources are detected. Lastly, we highlight some of the key science goals that can be addressed by a large sample of joint GW-EM detections.

研究の動機と目的

• LIGOおよび他の地上検出器からのGWトレガーを追跡するための専用のLSST調査時間の確保を提唱すること。
• 特に遠方の中性子星連星およびブラックホール－中性子星合体の光学的対応物の検出を可能にすること。
• 深宇宙的・物理学的分析に適した統計的に有意なGW-EM連携検出サンプルの構築。
• GWとEMデータを統合することで、中性子星の状態方程式および最大中性子星質量の制約を強化すること。
• 迅速応答型データブローカーおよび多波長連携の開発を支援し、最適な科学的成果を得ること。

提案手法

• LSSTの広視野（9.6 deg²）、深さ（30秒あたりg ~ 25 mag）、および調査サイクルを活用して、GWトレガーに対する迅速かつ体系的な追跡調査を実施すること。
• LIGOおよび他のGW検出器の感度向上計画と重なり合うLSSTの調査スケジュールを活用し、検出効率を最大化すること。
• GWアラートを優先順位に据えた、標的時機（ToO）追跡戦略を実装し、光学的瞬時天体の迅速検出を可能にすること。
• ELTや宇宙望遠鏡を含む他の施設と連携し、多波長カバレッジを実現すること。
• GWトリガーに起因するLSST観測に最適化されたデータブローカーの開発と導入を行い、迅速な反応と天体位置特定を可能にすること。
• 重力波検出器の感度の進化とLSST調査パラメータをもとに、予想される連携検出数および中性子星特性の制約をシミュレーションすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重中性子星およびブラックホール－中性子星合体に起因する重力波事象の電磁気的対応物の検出を最大化するため、LSSTをどのように最適にスケジューリングすべきか？
• RQ2 LIGOおよび他の重力波検出器の感度向上が予測される中で、2020年代に予想される連携GW-EM検出の収量はどの程度か？
• RQ3 大規模な連携検出サンプルが、中性子星の状態方程式および最大中性子星質量の制約をどのように向上させるか？
• RQ4 LSSTは、コンパクト二重星合体に関連するキリノバおよびガンマ線バーストの残光を検出し、特徴づける上で果たす役割は何か？
• RQ5 複数の観測施設による連携追跡が、連携GW-EM事象からの科学的成果をどのように向上させるか？

主な発見

• LSSTの調査スケジュールは、LIGOおよび他の重力波検出器の計画された感度向上と好都合に一致しており、2020年代に効率的な連携検出キャンペーンを実現可能にしている。
• 重力波検出器の感度が向上すると、BNSの検出範囲は5カ所のグローバルネットワークで約400 Mpcまで拡大し、検出可能な事象の数が増加する。
• LSSTの広視野と深さのおかげで、GWトレガー発生後数分以内に数十平方度の広い空域を効率的にスキャンでき、微弱で急速に消える光学的対応物の検出に不可欠である。
• 大規模な連携GW-EM検出サンプルにより、中性子星の状態方程式の精密な制約が可能となり、最大中性子星質量（M_TOV）の上限値も得られる。
• BH-NS合体の電磁気的追跡調査は、中性子星半径の独立した制約を提供し、一般相対性理論が予測するブラックホールイベントホライズンの性質を検証する手がかりにもなる。
• LSSTおよび他の施設による迅速かつ連携された追跡調査は、まれなあるいは微弱な電磁気的対応物の検出に不可欠であり、多メッセンジャーアストロノミー分野における新たな発見を可能にする。