[論文レビュー] Multi-Messenger Astronomy with GRBs: A White Paper for the Astro2010 Decadal Survey

M. Stamatikos, N. Gehrels+3 more|ArXiv.org|Feb 17, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、ガンマ線バースト（GRBs）を宇宙のプローブとして用い、電磁波、ニュートリノ、重力波の観測を統合することで、宇宙論および素粒子物理学における根本的問題を解明することを提唱する。スイフト、フェルミ、アイスカイブ、リグォ、および将来的なミッション（EXISTおよびLISA）を活用することで、GRBの連携的・リアルタイム観測が、宇宙線の起源の特定、GRBの前身天体の同定、そして未曽有の感度と連携によって高赤方偏移宇宙の探査を可能にする。

ABSTRACT

Gamma-ray Bursts (GRBs) are relativistic cosmological beacons of transient high energy radiation whose afterglows span the electromagnetic spectrum. Theoretical expectations of correlated neutrino and/or gravitational wave (GW) emission position GRBs at an astrophysical nexus for a metamorphosis in our understanding of the Cosmos. This new dawn in the era of experimental (particle) astrophysics and cosmology is afforded by current and planned facilities enabling the novel astronomies of high energy neutrinos and gravitational waves, in concert with unprecedented electromagnetic coverage. In this white paper, we motivate GRBs as a compelling scientific theme and highlight key technical advances that may facilitate fundamental breakthroughs in the context of Swift, Fermi, IceCube and LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), whose capabilities would be augmented with JANUS (Joint Astrophysics Nascent Universe Satellite), EXIST (Energetic X-ray Imaging Survey Telescope) and LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Scientific synergy will be achieved by leveraging the combined sensitivity of contemporaneous ground-based and satellite observatories, thus optimizing their collective discovery potential for: (i) revealing the origin(s) and acceleration mechanism(s) of cosmic rays, (ii) exposing GRB progenitor(s) and (iii) exploring the high-z Cosmos. Hence, the advent of GRB multi-messenger astronomy may cement an explicit connection to fundamental physics, via nascent cosmic windows, throughout the next decade and beyond.

研究の動機と目的

• マルチメッセンジャ能力を活用して、GRBをAstro2010十年計画調査の中心的科学的テーマとして確立すること。
• 初期の光学的不透明性のため、純粋に電磁波観測ではGRBの前身天体を十分に探査できないという限界を克服すること。
• 連関された高エネルギーニュートリノおよび重力波検出を通じて、宇宙線加速メカニズムの理解に飛躍をもたらすこと。
• 次世代の観測施設を用いてGRBを高赤方偏移宇宙のプローブとして活用することで、宇宙再イオン化および第3星族星の研究を強化すること。
• GCNのような連携的・リアルタイムアラートシステムを活用して、発見可能性を最適化すること。

提案手法

• GRB座標ネットワーク（GCN）を活用し、観測施設間でマルチメッセンジャアラートをリアルタイムで配信する。
• スイフト（即時局所化）、フェルミ（高エネルギーガンマ線カバレッジ）、アイスカイブ（高エネルギーニュートリノ検出）のデータを統合し、マルチメッセンジャ相関を可能にする。
• リグォおよびLISAを用いて重力波を検出する。LISAは、コンact二重星合体からの低周波数信号を標的とする。
• EXIST（100秒以内に10角秒の局所化精度を有する5–600 keV X線望遠鏡）およびJANUSなどの将来的なミッションを活用し、高赤方偏移GRBの検出および追跡を強化する。
• 電磁波（電波からTeVまで）と非電磁波信号を統合し、GRBのエネルギー予算および放射ジオメトリをモデル化する。
• 即時放射と後光放射の共同解析を適用し、エネルギーのピーク値E_peakおよび数十年にわたるエネルギー領域におけるスペクトル進化を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連携的マルチメッセンジャ観測により、GRBは超高エネルギー宇宙線の起源および加速メカニズムをどのように解明できるか？
• RQ2 重力波は、短時間ガンマ線バーストの前身天体としてのコンパクト二重星合体を確認するために果たす役割は何か？
• RQ3 高エネルギーニュートリノ検出は、GRBフレイムボール内のハドロン加速をどのように確認し、微視的プロセスを制約できるか？
• RQ4 GRBは、第3星族星および宇宙再イオン化に関して、高赤方偏移宇宙をどのようにプローブできるか？
• RQ5 連関されたニュートリノおよび重力波信号の検出確率を最大化するための最適な観測戦略（例：トリガー率、赤方偏移、持続時間）は何か？

主な発見

• EXISTは1日あたり2〜3個のGRBを検出すると予想され、これはスイフト-BAT（1年あたり100個）およびフェルミ-GBM（1年あたり200個）を大幅に上回り、高赤方偏移研究における統計的パワーを高める。
• EXISTの100秒以内に10角秒以内の局所化精度により、搭載された望遠鏡を用いた迅速な光学/赤外線追跡観測が可能となり、多波長相関が強化される。
• GRBからの高エネルギーニュートリノの検出は、ハドロン加速を確認し、GRBが超高エネルギー宇宙線の源であるという直接的証拠を提供する。
• GRBからの重力波検出は、一般相対性理論の重要な予測を検証するものであり、ブラックホール形成段階を唯一の直接的プローブとして提供する。
• 電磁波、ニュートリノ、重力波バンドにおけるGRBの連携観測により、短時間GRBと長時間GRBの前身天体の二元論的問題が解消され、重力波が二重星合体の明確な証拠を提供する。
• スイフト、フェルミ、アイスカイブ、リグォ、EXIST、LISAの連携は、追加のリソースを要せず、今後の10年間における包括的科学的還元を最適化する見込みである。