[論文レビュー] Detectability of Late-Time Radio Afterglows from Compact Binary Coalescence

Li Feng, R. Vaulin+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、次世代の広視野電波望遠鏡を用いて、コン pact binary coalescences (CBCs) の遅発電波後の光の検出可能性を評価している。光源および観測者のパラメータの違いを考慮した後光曲線のモデル化を行い、LOFAR や MWA、CHIME などの機器が、特に有利なジェット幾何学的構造および周囲密度の下で、近距離の CBC イベント（z < 0.1）の顕著な割合を電波後の光で検出可能であることを示している。最適な条件下では検出率が最大で約30％に達する。

ABSTRACT

Electromagnetic (EM) follow-up of gravitational wave (GW) candidates is important for verifying their astrophysical nature and studying their physical properties. While the next generation of GW detectors will have improved sensitivities to make the first detection of GW events, their ability to localize these events will remain poor during the early days of their operation. This makes EM follow-up challenging for most telescopes. Many new low frequency radio instruments have come online recently or will come online over the next few years, and their wide fields of view allow them to cover large areas of the sky in a short amount of time. This paper studies comprehensively the detectability of radio afterglows from compact binary coalescence (CBC), a predicted GW source and the most promising progenitor of short gamma-ray bursts. We explore the properties of simulated afterglow lightcurves from the forward shock for a range of source and observer parameters, then we use these lightcurves to estimate the expected rates of detection for different radio instruments and survey methods. Detecting radio afterglows and constraining their properties and rates are feasible with the current and upcoming widefield radio instruments. As a result, widefield radio instruments will play an important role in the EM follow-up of GW events.

研究の動機と目的

• 現在および将来の広視野電波望遠鏡を用いた、コン pact binary coalescences (CBCs) の遅発電波後の光の検出可能性の実現可能性を評価すること。
• 天体物理学的パラメータの不確実性（ジェット開口角、周囲密度、観測角）が検出可能性に与える影響を定量化すること。
• 観測者がジェット軸に一致する場合（θ_obs = ι）と、観測角が傾きと相関がない場合の2つの極限状態における検出確率を比較すること。
• 電波後光の検出確率を最大化するための観測戦略（標的的観測 vs ブラインドスキャン）を推奨する。

提案手法

• 相対論的爆発波モデルを用いて、等方的エネルギー（E_iso）、ジェット開口角（θ_j）、周囲密度（n）の範囲で CBC の前方衝撃波電波後の光曲線をシミュレートする。
• 観測角と等方的エネルギーに依存する水平距離 d_H(θ_obs, E_iso) を用いて検出可能性を決定し、重力波検出器の水平距離 d_GW(θ, φ, ψ, ι) と比較する。
• 方程式 (54) および (55) にヘヴィサイドのステップ関数を適用し、d_H / d_GW ≤ 1 である条件を満たすことで、電波望遠鏡の到達距離が重力波検出器の水平距離を超える場合にのみ検出可能であることを保証する。
• E_iso、θ、φ、ψ、ι、θ_obs の多次元数値積分を実行し、各電波望遠鏡および周囲密度（n = 10⁻⁵、10⁻³、1.0 cm⁻³）における aLIGO イベントの平均検出可能割合を計算する。
• aLIGO イベントに1年間の観測時間を均等に割り当て、半球の空域アクセス、位置特定の不確実性（100 deg²）、および瞬時天体の検出に必要な基準画像の作成を考慮する。
• 各指向点における積分時間 t_int を、割り当てられた観測時間の半分に設定し、瞬時天体の検出に十分な動的範囲を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および将来の広視野電波望遠鏡を用いて、aLIGO が検出した CBC イベントのうち、どの程度が遅発電波後の光によって検出可能か？
• RQ2 ジェット軸に対する観測角が、CBC からの電波後の光の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 周囲密度およびジェット特性の不確実性が、検出率にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 位置特定精度が悪い場合でも、広視野電波サーベイが重力波イベントの追跡観測を効果的に行えるか？
• RQ5 電波後の光の検出確率を最大化するための最適な観測戦略（標的的観測 vs ブラインドスキャン）は何か？

主な発見

• 周囲密度 n = 1.0 cm⁻³ の場合、観測者がジェット軸に一致する（θ_obs = ι）条件下で、CHIME や MWA などの機器を用いると、最適な E_iso および ι 値のもとで検出率が最大で約30％に達する。
• 観測角が傾きと相関のない場合（θ_obs と ι の相関なし）、検出率は著しく低下し、同様の機器および n = 1.0 cm⁻³ の条件下で最大で10〜15％程度にまで低下する。
• 低密度（n = 10⁻⁵ cm⁻³）では検出可能性が著しく低下し、大多数の機器で検出率が5％未満にまで低下する。これは、後光放射が弱いためである。
• LOFAR と MWA は、調査された機器の中で最も高い検出確率を示しており、特に高密度および軸に沿った観測幾何学的条件下で顕著である。
• 検出率はジェット開口角および E_iso に強く依存しており、広いジェットおよび高い等方的エネルギーは検出可能性を高める。
• 重力波の位置特定精度が悪く（100 deg²）、ともかくも、広視野電波望遠鏡は1回の指向で位置特定領域を効率的にカバーでき、効果的な標的的追跡観測が可能である。