[論文レビュー] Searches for TeV gamma-ray counterparts to Gravitational Wave events with H.E.S.S

H. Ashka, Schüssler, Fabian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、H.E.S.S. チェレンコフ望遠鏡アレイを用いて、二つの重力波イベント—GW170814（二重ブラックホール合体）およびGW170817（二重中性子星合体）—に対する、初めてのVHEガンマ線追跡観測を報告する。顕著なガンマ線放射が検出されなかったものの、解析により、これらの残骸からの非熱的TeV放射に対する最初の積分上限が確立され、多メッセンジャー天体物理学モデルに重要な制約をもたらす。

ABSTRACT

The search for electromagnetic counterparts for gravitational waves events is one of the main topics of multi-messenger Astrophysics. Among these searches is the one for high energy gamma-ray emission with the H.E.S.S. Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes in Namibia. During their second Observation Run O2, the Advanced Virgo detector in Italy and the two advanced LIGO detectors in Washington and Louisiana while conducting joint observations, detected for the first time, on August $14^{th}$, 2017 a transient GW signal due to the coalescence of two stellar masses black holes, an event labeled GW170814. The alert announcing the event was issued two hours later and H.E.S.S. observations could be scheduled for the nights of $16^{th}$, $17^{th}$ and $18^{th}$ August 2017. Three days after the binary BH merger, on August $17^{th}$, the coalescence of two neutron star was detected for the first time, followed by a GRB detection by Fermi's GBM starting a new era in multi-messenger Astronomy. Observations started 5.3 h after the merge and contained the counterpart SSS17a that was identified several hours later. It stands as the first data obtained by a ground-based pointing instrument on this object. In this contribution, we will present the results of the search of high-energy gamma ray emission as electromagnetic counterpart of these two GW events. No significant gamma ray emission was detected for either event. Nevertheless upper limit maps were derived constraining, for the first time, the non-thermal, high-energy emission on the remnant of a three detector binary black hole coalescence (GW170814), and a binary neutron star coalescence (GW170817).

研究の動機と目的

• O2期間中にLIGOおよびVirgoが検出した重力波イベントの、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線対応体を探索すること。
• 地上ベースのVHEガンマ線望遠鏡を用いて、二重ブラックホールおよび二重中性子星合体の残骸からの非熱的放射を制約すること。
• H.E.S.S.アレイが重力波アラートにリアルタイムで反応する性能および応答効率を評価すること。
• 三検出器による二重ブラックホール合体（GW170814）および二重中性子星合体（GW170817）に対する、最初のVHEガンマ線上限を提供すること。

提案手法

• H.E.S.S. は、50 GeV から 100 TeV のエネルギー範囲のガンマ線に感度を持つ28メートルおよび4台の12メートル望遠鏡を用いて追跡観測を実施した。
• 観測スケジューリングは、重力波トリガー後に発行されたLALInferenceに基づく天の川位置マップに従い、自動アラート処理により迅速な反応が可能になった。
• 標準的なH.E.S.S.アナリシスパイプラインを用いてデータを解析し、有意性マップおよび積分フラックス上限を生成した。
• エネルギー範囲 250 GeV < E < 20 TeV に対して、一般的な E⁻² スペクトルを仮定し、角度依存性および望遠鏡の受光率を考慮して上限を計算した。
• GW170814の最終的な90%信用区間は、初期の精度が低いマップに基づくスケジューリングにもかかわらず、カバレッジの妥当性を検証するために使用された。
• GW170817に対しては、LALInferenceマップ公開後5分以内にH.E.S.S.が反応し、中性子星合体の最初の地上ベースVHE観測を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三検出器によるLIGO-Virgoが検出した二重ブラックホール合体の残骸からの、非常に高エネルギーガンマ線放射のレベルは何か？
• RQ2 地上ベースのVHEガンマ線望遠鏡は、トリガーから数分以内に重力波イベントの電磁的対応体を検出できるか？
• RQ3 二重中性子星合体からの非熱的TeV放射に対する最初の積分上限は何か？
• RQ4 H.E.S.S.アレイは、最小限の遅延で重力波イベントの局在領域をどれほど効果的にカバーできるか？
• RQ5 重力波局在マップのシステム的ずれが、追跡観測の感度にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• GW170814 や GW170817 の追跡観測中に顕著なVHEガンマ線放射は検出されなかった。
• GW170817 に対してH.E.S.S.は、LALInference天の川マップ公開後5分以内に反応し、中性子星合体の最初の地上ベースVHE観測を実現した。
• GW170814 に対しては、初期の精度が低い局在マップに基づくスケジューリングにもかかわらず、最終的な90%信用区間の約90%をカバーした。
• エネルギー範囲 250 GeV < E < 20 TeV に対して非熱的放射の積分上限が導出され、三検出器による二重ブラックホール合体に対する最初の制約となった。
• GW170814 の上限マップは、恒星質量ブラックホール二重星残骸からのTeV放射に対する最初の実証的制約を提供する。
• GW170817 の結果により、270 GeV から 8.55 TeV の範囲で厳密な上限が得られ、中性子星合体からの非熱的放射モデルを顕著に制約した。