[論文レビュー] Implication of the association between GBM transient 150914 and LIGO Gravitational Wave event GW150914

Xiang Li, Fu-Wen Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェルミGBM一時的現象150914とリゴ重力波イベントGW150914の関連性を調査し、強い時間的・空間的一致を確認した。この現象は、$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$および$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$図において明確な外れ値であることが示され、密度の高い媒体における二重ブラックホール合体の可能性を示唆している。重力波の速度は光速と$10^{-17}$以内で一致しており、一般相対性理論を支持する。

ABSTRACT

On September 14, 2015 the two detectors of LIGO simultaneously detected a transient gravitational-wave signal GW150914 and the Fermi GBM observations found a weak short gamma-ray burst (SGRB)-like transient (i.e., the GBM transient 150914). The time and location coincidences favor the association between GW150904 and GBM transient 150914. We compared GBM transient 150914 with other SGRBs and found that such an event is indeed a distinct outlier in the $E_{ m p,rest}-E_{ m iso}$ and $E_{ m p,rest}-L_{\gamma}$ diagrams ($E_{ m iso}$ is the isotropic-equivalent energy, $L_\gamma$ is the luminosity and $E_{ m p,rest}$ is the rest frame peak energy of the prompt emission), possibly due to its specific binary-black-hole merger origin. However, the presence of a new group of SGRBs with low $L_\gamma$ and $E_{ m iso}$ but high $E_{ m p,rest}$ is also possible. If the outflow of GBM transient 150914 was launched by the accretion onto the nascent black hole, we estimate the accretion disk mass to be $\sim 10^{-5}~M_\odot$, implying that the binary black hole progenitors were in dense medium. The association between GBM transient 150914 and GW150914 also provides the first opportunity to directly measure the velocity of the gravitational wave. The difference between the gravitational wave velocity and the speed of the light is found to be smaller than a factor of $10^{-17}$, nicely in agreement with the prediction of general relativity theory.

研究の動機と目的

• GBM一時的現象150914とリゴGW150914重力波イベントとの物理的関連性を調査すること。
• GBM一時的現象150914が、$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$および$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$図における既知の短時間ガンマ線バースト（SGRB）集団と整合しているかどうかを特定すること。
• 一時的現象の放射からの降着円盤質量推定値を用いて、二重ブラックホール合体の前身環境を制約すること。
• GW150914とGBM一時的現象150914の時間遅れを用いて、光速を基準として重力波の伝播速度を測定すること。

提案手法

• GBM一時的現象150914を、$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$および$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$図における既知のSGRBサンプルと比較し、統計的外れ値としての位置づけを評価する。
• 観測的診断として、restフレームピークエネルギー$E_{mp,rest}$、等方的同等エネルギー$E_{miso}$、および放射度$L_\gamma$を用いる。
• 新生ブラックホールへの降着を仮定し、流出放射から降着円盤質量を推定し、$\sim 10^{-5}~M_\odot$が得られた。
• GW150914とGBM一時的現象150914の時間遅れを用いて、重力波速度を計算し、光速を基準とする。
• 一般相対性理論の予測を適用し、測定された速度差が$v_{gw}/c \approx 1$と整合するかを検証する。
• 統計的分析により、高$E_{mp,rest}$だが低$E_{miso}$および$L_\gamma$を示す、新たなSGRBクラスに属する可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW150914とGBM一時的現象150914の時間的・空間的一致を根拠に、物理的関連性があると考えられるか？
• RQ2 GBM一時的現象150914は、$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$および$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$平面上で既知のSGRBと比較してどう異なるか。外れ値であるか？
• RQ3 GBM一時的現象150914の放射は、二重ブラックホール合体の降着円盤質量および前身環境にどのような示唆を含むか？
• RQ4 重力波の速度は光速に対してどの程度測定され、一般相対性理論の制約にどのように寄与するか？
• RQ5 GBM一時的現象150914は、高$E_{mp,rest}$だが低$E_{miso}$および$L_\gamma$を示す、新たなSGRBクラスを表している可能性はあるか？

主な発見

• GBM一時的現象150914は、$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$および$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$図において明確な外れ値であり、特異な放射メカニズムを示唆する。
• この現象の高$E_{mp,rest}$と低$E_{miso}$・$L_\gamma$の組み合わせは、新たなSGRBクラス、または特定の二重ブラックホール合体起源を示唆する可能性がある。
• 流出を駆動するのに必要な降着円盤質量は$\sim 10^{-5}~M_\odot$と推定され、前身天体が密度の高い媒体にあったことを示唆する。
• 重力波速度は光速から$10^{-17}$未満の差に制限され、一般相対性理論を支持する。
• GW150914とGBM一時的現象150914の時間的・空間的一致は、両者の物理的関連性を強く支持する。