[論文レビュー] Perspectives for multi-messenger astronomy with the next generation of gravitational-wave detectors and high-energy satellites

S. Ronchini, M. Branchesi+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 107被引用数 69

ひとこと要約

本稿は、第3世代重力波検出器（例：アインシュタイン・テレスコープ）と将来の高エネルギー人工衛星の連携が、マルチメッセンジャーアストロノミーにおいて果たす可能性を調査する。短時間ガンマ線バースト（SGRB）の物理的に妥当な発光モデルを用いて、二つの中性子星の合体に伴う重力波と高エネルギー放射の共同検出が、3G検出器ネットワークにおいて100％に近い効率に達することを予測している。広視野のX線モニタは、非軸上および低輝度のSGRBを検出する上で不可欠であり、追従観測のための高精度な源の位置特定を可能にする。

ABSTRACT

The Einstein Telescope (ET) is going to bring a revolution for the future of multimessenger astrophysics. In order to detect the counterparts of binary neutron star (BNS) mergers at high redshift, the high-energy observations will play a crucial role. Here, we explore the perspectives of ET, as a single observatory and in a network of gravitational-wave (GW) detectors, operating in synergy with future γ-ray and X-ray satellites. We predict the high-energy emission of BNS mergers and its detectability in a theoretical framework which is able to reproduce the properties of the current sample of observed short GRBs (SGRBs). We estimate the joint GW and high-energy detection rate for both the prompt and afterglow emissions, testing several combinations of instruments and observational strategies. We find that the vast majority of SGRBs detected in γ-rays have a detectable GW counterpart; the joint detection efficiency approaches 100% considering a network of third-generation GW observatories. The probability of identifying the electromagnetic counterpart of BNS mergers is significantly enhanced if the sky localization provided by GW instruments is observed by wide-field X-ray monitors. We emphasize that the role of the future X-ray observatories will be very crucial for the detection of the fainter emission outside the jet core, which will allow us to explore the population of low-luminosity SGRBs in the nearby Universe, as well as to unveil the nature of the jet structure and the connections with the progenitor properties.

研究の動機と目的

• 次世代機器を用いた二つの中性子星（BNS）合体の重力波と高エネルギー放射（γ線およびX線）における共同検出効率を評価すること。
• 広視野X線モニタが、弱く非軸上なSGRB放射を検出する役割と、追従観測のための天の川位置特定の改善に与える影響を評価すること。
• 共同検出の科学的潜在能力を、ジェット構造、前身天体の性質、および宇宙論的パラメータの解明という観点から定量化すること。
• 重力波トリガーの天の川位置、距離、観測角に基づいて優先順位を付けることで、将来の高エネルギー人工衛星の観測戦略を最適化すること。
• 低輝度SGRBおよび高赤方偏移対応天体の検出を可能にする、とりわけ広視野X線望遠鏡を含む将来の機器の要件を確立すること。

提案手法

• 観測された短時間GRBの性質を再現できる、天体物理学的に妥当なBNS集団およびSGRB発光モデルに基づく理論的枠組みを構築する。
• 可変な輝度と観測角依存性を持つ構造的ジェットモデルを用いて、BNS合体に伴う高エネルギー放射（初期γ線およびX線後光）をシミュレートする。
• アインシュタイン・テレスコープ（ET）からのシミュレートされた重力波信号と、γ線およびX線機器の高エネルギー人工衛星の応答関数を照合することで、共同検出レートを推定する。
• さまざまな観測戦略（スキャンモード対ポイント観測）および応答時間（tresp）（100秒から1時間）の下での検出効率を評価する。
• 低遅延パラメータ推定を用いて、ET単体および宇宙探査者（CE）とのネットワークにおける天の川位置特定性能をモデル化し、人工衛星の再指向を支援する。
• 将来の機器（例：THESEUS、Athena WFI、X-IFU）が、とくに非軸上および弱い信号のX線後光を検出・位置特定できる能力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代検出器と人工衛星を用いた場合、BNS合体の重力波と高エネルギー放射（γ線およびX線）の共同検出レートはどの程度期待されるか？
• RQ2 広視野X線モニタの導入が、非軸上および低輝度の短時間GRBの検出にどのように寄与するか？
• RQ3 限られた観測時間の中で、共同検出効率を最大化するための高エネルギー人工衛星の最適な観測戦略は何か？
• RQ4 天の川位置特定の精度と応答時間は、BNS合体に伴うX線後光の検出確率にどのように影響するか？
• RQ5 高赤方偏移での共同検出は、宇宙論的パラメータの推定や一般相対性理論の検証にどの程度貢献できるか？

主な発見

• アインシュタイン・テレスコープ（ET）と宇宙探査者（CE）を含む第3世代GW検出器ネットワークを用いることで、BNS合体の重力波と高エネルギー放射の共同検出効率は100％に近づく。
• 合体後1時間の遅延でX線モニタリングを開始すると、100秒の応答時間と比較して、検出確率が10倍以上低下する。
• アインシュタイン・テレスコープ単体では、BNSイベントの数パーセントを∆Ω < 100 deg²の範囲に局所化できるが、CEとのネットワークでは十数パーセントにまで上昇し、効果的な人工衛星追従観測が可能になる。
• 広視野X線モニタ（例：Athena WFI）は、γ線検出に不適な非軸上の多数のBNS合体を検出でき、低輝度SGRBの研究を可能にする。
• Athena WFIによる1か月間のモザイク観測では、100 deg²以内に局所化されたBNSイベントの数十個に達するカバーが可能となり、特に有利な観測角と距離を持つ源を優先することで効果的になる。
• AthenaのX-IFU機器は、すべての共同検出源のX線後光を検出・特徴づけることができ、ジェット構造や前身天体の性質に関する詳細な研究が可能になる。