[論文レビュー] Observational constraints on the optical and near-infrared emission from the neutron star-black hole binary merger S190814bv

K. Ackley, L. Amati+152 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Feb 5, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 278被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、重力波で検出された中性子星–ブラックホール合体候補S190814bvの電磁的対応物を探索するための多波長観測キャンペーンを実施した。光学および近赤外帯域でr ~ 22およびK ~ 21に達する深さの調査を行ったが、対応物は検出されず、これにより0.1 M☉より大きな噴出物質量を持つキロノーバモデルは90%以上の信頼水準で除外され、中性子星の顕著な潮汐破壊は否定される。

ABSTRACT

On 2019 August 14, the LIGO and Virgo interferometers detected a high-significance event labelled S190814bv. Preliminary analysis of the GW data suggests that the event was likely due to the merger of a compact binary system formed by a BH and a NS. ElectromagNetic counterparts of GRAvitational wave sources at the VEry Large Telescope (ENGRAVE) collaboration members carried out an intensive multi-epoch, multi-instrument observational campaign to identify the possible optical/near infrared counterpart of the event. In addition, the ATLAS, GOTO, GRAWITA-VST, Pan-STARRS and VINROUGE projects also carried out a search on this event. Our observations allow us to place limits on the presence of any counterpart and discuss the implications for the kilonova (KN) possibly generated by this NS-BH merger, and for the strategy of future searches. Altogether, our observations allow us to exclude a KN with large ejecta mass $M\gtrsim 0.1\,\mathrm{M_\odot}$ to a high ($>90\%$) confidence, and we can exclude much smaller masses in a subsample of our observations. This disfavours the tidal disruption of the neutron star during the merger. Despite the sensitive instruments involved in the campaign, given the distance of S190814bv we could not reach sufficiently deep limits to constrain a KN comparable in luminosity to AT 2017gfo on a large fraction of the localisation probability. This suggests that future (likely common) events at a few hundreds Mpc will be detected only by large facilities with both high sensitivity and large field of view. Galaxy-targeted observations can reach the needed depth over a relevant portion of the localisation probability with a smaller investment of resources, but the number of galaxies to be targeted in order to get a fairly complete coverage is large, even in the case of a localisation as good as that of this event.

研究の動機と目的

• 重力波イベントS190814bv、すなわち中性子星–ブラックホール連星合体候補の光学的および近赤外電磁的対応物を特定すること。
• 複数回の観測で得られた非検出結果を活用し、合体時またはその直後に発生したキロノーバ噴出物の性質を制約すること。
• 将来の重力波追従キャンペーンにおける広視野および銀河標的型調査戦略の有効性を評価すること。
• 現在の施設が、約267 Mpcの宇宙距離におけるキロノーバをどの程度の感度で検出可能かを評価すること。

提案手法

• VST、GOTO、ATLAS、Pan-STARRS、VINROUGE、その他の施設を用いて、光学および近赤外帯域で協働的かつ多波長・多回測定の観測キャンペーンを実施した。
• LIGO/Virgoが提供した50%（90%）の信頼領域（5 deg²（23 deg²））を根拠に、標的的および広視野観測を計画した。
• 通常の深さで光学帯域r ~ 22、近赤外帯域K ~ 21の深さの光度測定調査を、局所化確率の99.8%まで実施した。
• 質量加重局所化確率内にある銀河を標的にした観測を実施し、質量加重領域の約50%をカバーした。
• 複数の調査から得たデータを統合し、一時的天体の輝度上限を設定し、キロノーバモデルを制約した。
• 非検出結果を用いて、標準キロノーバ放射モデルを仮定した場合、噴出物質量および放射輝度の制約を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NS-BH合体候補S190814bvの電磁的対応物の性質は何か？
• RQ2 現在の観測キャンペーンでは、約267 Mpcの距離にあるNS-BH合体と関連するキロノーバを検出可能か？
• RQ3 このイベントで発生したキロノーバの噴出物質量および輝度の上限は何か？
• RQ4 広視野および銀河標的型調査戦略は、微弱で短命なキロノーバ信号を検出するためにどの程度有効か？
• RQ5 非検出結果は、合体中に中性子星が顕著に潮汐破壊された可能性をどの程度まで排除するか？

主な発見

• キャンペーン中に実施された光学および近赤外調査のいずれに対しても、明確な電磁的対応物は検出されなかった。
• キャンペーンでは、通常の深さとして光学帯域r ~ 22、近赤外帯域K ~ 21を達成し、局所化確率の最大99.8%をカバーした。
• 銀河標的観測ではより深い限界に達し、質量加重局所化確率の約50%をカバーした。
• 噴出物質量M > 0.1 M☉のキロノーバは90%以上の信頼水準で除外され、中性子星の顕著な潮汐破壊は強く否定された。
• 感度の高い機器を用いても、S190814bvの距離（267 ± 52 Mpc）では、AT 2017gfoと同等の輝度を持つキロノーバの検出は不可能であった。
• 今後の同程度の距離にあるNS-BH合体では、感度と広視野の両方を備えた大規模施設が必要となる。