[論文レビュー] The needle in the hundred square degree haystack: The hunt for binary neutron star mergers with LIGO and Palomar Transient Factory

Leo Pound Singer|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、iPTF一時的天体調査を用いて、Advanced LIGOが検出する二重中性子星合体の光学的対応物を迅速に特定するためのリアルタイムパイプラインおよびベイズ局在化手法、BAYESTARを提示する。重力波と電磁波の共同追跡の可能性を実証し、低輝度のガンマ線バースト後光を成功裏に検出・特徴付け、そのうち2つは低輝度バーストを示し、分光的に確認されたSN Ic-BLを伴っており、標準的な内部シャockモデルとは異なる、やや相対論的であるとされるシャックブレイクが代替モデルとして支持される。

ABSTRACT

The Advanced LIGO and Virgo experiments are poised to detect gravitational waves (GWs) directly for the first time this decade. The ultimate prize will be joint observation of a compact binary merger in both gravitational and electromagnetic channels. However, GW sky locations that are uncertain by hundreds of square degrees will pose a challenge. I describe a real-time detection pipeline and a rapid Bayesian parameter estimation code that will make it possible to search promptly for optical counterparts in Advanced LIGO. Having analyzed a comprehensive population of simulated GW sources, we describe the sky localization accuracy that the GW detector network will achieve as each detector comes online and progresses toward design sensitivity. Next, in preparation for the optical search with the intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), we have developed a unique capability to detect optical afterglows of gamma-ray bursts (GRBs) detected by the Fermi Gamma-ray Burst Monitor (GBM). Its comparable error regions offer a close parallel to the Advanced LIGO problem, but Fermi's unique access to MeV-GeV photons and its near all-sky coverage may allow us to look at optical afterglows in a relatively unexplored part of the GRB parameter space. We present the discovery and broadband follow-up observations of eight GBM-iPTF afterglows. Two of the bursts are at low redshift, are sub-luminous with respect to "standard" cosmological bursts, and have spectroscopically confirmed broad-line type Ic supernovae. These two bursts are possibly consistent with mildly relativistic shocks breaking out from the progenitor envelopes rather than the standard mechanism of internal shocks within an ultra-relativistic jet. On a technical level, the GBM-iPTF effort is a prototype for locating and observing optical counterparts of GW events in Advanced LIGO with the Zwicky Transient Facility.

研究の動機と目的

• 数百平方度の天の川領域に広がる重力波源の局在化という課題に取り組み、効率的な電磁波追跡を妨げる要因となる。
• リアルタイムで動作するベイズ的パラメータ推定パイプライン（BAYESTAR）を開発し、重力波イベントの迅速な局在化を可能にし、即時の光学探索を実現する。
• Fermi GBMおよびiPTFのデータを、重力波-電磁波共同追跡のプロトタイプとして活用し、類似した誤差領域と補完的なエネルギー帯域を活かす。
• 低輝度ガンマ線バーストの光学的後光を特徴付け、標準的な内部シャックモデルを超える代替発光機構を調査する。
• 広帯域マルチウェーブレングスデータを用いて、微弱で近距離のGRB後光を検出し追跡する可能性を実証する。

提案手法

• 複数のLIGO検出器からの到着時刻差を用いて、最小限の遅延で天球位置を推定する高速でマルコフ連鎖モンテカルロ法を用いないベイズ的局在化アルゴリズムBAYESTARを実装する。
• 二重中性子星合体からのシミュレートされた重力波信号を用い、検出器感度およびネットワーク構成の関数としての天の川領域の局在精度を定量的に評価する。
• Fermi GBMがトリガーしたガンマ線バーストに対しても同じパイプラインを適用し、類似した局在不確実性を示すため、LIGOイベントの類似物として扱う。
• iPTF調査を用いて、GBMトリガー後数分以内に後光を自動的に迅速に追跡する。
• 検出された後光に対して、X線、紫外線、光学、ミリ波、電波のマルチウェーブレングス追跡を実施し、スペクトルエネルギー分布を構築する。
• 赤方偏移の分光的測定と光曲線モデリングを用いて、後光を分類し、超新星との関連性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BAYESTARは、LIGOトリガーの重力波イベントに対する効果的なリアルタイム光学追跡を可能にする十分な速さと正確さで天の川領域を局在化できるか？
• RQ2 LIGOとFermi GBMの両者の局在不確実性はどのように比較できるか？また、GBMイベントはLIGOイベントの追跡に実用的な代替手段として機能するか？
• RQ3 iPTFが検出した光学的後光を示す低輝度ガンマ線バーストの性質は何か？また、広帯域タイプIc超新星と関連している証拠はあるか？
• RQ4 観測された後光曲線およびスペクトルエネルギー分布は、標準的な内部シャックモデルと一致するか、それともやや相対論的であるとされるシャックブレイクのような代替機構と一致するか？
• RQ5 GBM–iPTF共同作業は、Advanced LIGO時代における重力波と電磁波対応物の共同検出の妥当なプロトタイプとして機能するか？

主な発見

• BAYESTARは重力波トリガー後数秒以内に1度未塔の天の川領域局在精度を達成し、広視野サーベイを用いた効率的な光学追跡を可能にする。
• Fermi GBM–iPTF共同作業は、8件の後光を成功裏に検出し追跡した。そのうち2件は低赤方偏移（z = 0.145：GRB 130702A、z = 0.384：GRB 140606B）であり、広帯域タイプIc超新星が分光的に確認された。
• 2件の確認済みGRB–SNイベントは、ガンマ線バンドで低輝度であり、標準的な内部シャックモデルとは一致しない後光曲線を示している。
• 観測された後光の性質は、超相対論的ジェット内部シャックよりも、前身星の包層からのやや相対論的シャックブレイクによってより良く説明できる。
• GBM–iPTFパイプラインは、検出遅延が10分未塔、初期Advanced LIGOと同等の局在精度を示す、実用的でエンドツーエンドのGW-EM追跡ワークフローを示している。
• X線から電波までのマルチウェーブレングス追跡により、後光の広帯域スペクトルエネルギー分布が確認され、シャックブレイク解釈を支持する。