[논문 리뷰] Astro 2020 Science White Paper: Joint Gravitational Wave and Electromagnetic Astronomy with LIGO and LSST in the 2020's

P. S. Cowperthwaite, Hsin-Yu Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 04.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 LIGO 및 기타 탐지기에서 발생하는 중력파(GW) 트리거를 추적하기 위해 전용 LSST 설문 시간을 할당할 것을 주장한다. 이를 통해 이중 중성자별 및 블랙홀-중성자별 융합 사건의 전자기(EM) 대응체를 신속하게 특정할 수 있다. 2020년대 동안 중력파 탐지기 감도 향상과 함께 LSST의 설문 일정을 조율함으로써, 저자들은 이 접근 방식이 통계적으로 강력한 연계 GW-EM 사건의 대규모 샘플을 제공할 것임을 입증한다. 이는 중성자별 상태방정식을 제약하고 일반 상대성 이론을 시험하는 데 핵심적이다.

ABSTRACT

The blossoming field of joint gravitational wave and electromagnetic (GW-EM) astronomy is one of the most promising in astronomy. The first, and only, joint GW-EM event GW170817 provided remarkable science returns that still continue to this day. Continued growth in this field requires increasing the sample size of joint GW-EM detections. In this white paper, we outline the case for using some percentage of LSST survey time for dedicated target-of-opportunity follow up of GW triggers in order to efficiently and rapidly identify optical counterparts. We show that the timeline for the LSST science survey is well matched to the planned improvements to ground based GW detectors in the next decade. LSST will become particularly crucial in the later half of the 2020s as more and more distant GW sources are detected. Lastly, we highlight some of the key science goals that can be addressed by a large sample of joint GW-EM detections.

연구 동기 및 목표

• LIGO 및 기타 지상 기반 탐지기에서 온 중력파 트리거를 추적하기 위한 전용 LSST 설문 시간을 확보하기 위해 노력한다.
• 특히 먼 이중 중성자별 및 블랙홀-중성자별 융합 사건의 광학적 대응체를 탐지할 수 있도록 한다.
• 깊은 천체물리학 연구를 위한 통계적으로 유의미한 연계 GW-EM 탐지 샘플을 구축한다.
• 연계된 중력파 및 전자기 데이터를 통해 중성자별 상태방정식과 최대 중성자별 질량에 대한 제약을 강화한다.
• 빠른 반응 데이터 브로커 및 다중 파장 협업을 지원하여 과학적 성과를 극대화한다.

제안 방법

• LSST의 넓은 시야(9.6 deg²), 깊이(g ~ 25 mag, 30초), 설문 주기의 특성을 활용하여 중력파 트리거에 대한 신속하고 체계적인 추적을 수행한다.
• LIGO 및 기타 중력파 탐지기의 감도 향상 계획과 겹치는 LSST 설문 일정을 활용하여 탐지 효율을 극대화한다.
• 빠른 광학 변동성 탐지에 중점을 두어 중력파 경고를 우선순위로 하는 목표-대상-옵티멀리티(ToO) 추적 전략을 구현한다.
• 초신성 망원경 및 저궤도 위성 천문대와 같은 다른 시설과의 통합을 통해 다중 파장 커버리지를 확보한다.
• 중력파 유도 LSST 관측에 최적화된 데이터 브로커를 개발하고 구현하여 신속한 반응과 소스 위치 결정을 가능하게 한다.
• 중력파 탐지기 감도의 변화와 LSST 설문 파rameter를 바탕으로 예상되는 연계 탐지 수와 중성자별 성질에 대한 제약을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 중성자별 및 블랙홀-중성자별 융합에서 발생하는 중력파 사건의 전자기 대응체 탐지 수를 극대화하기 위해 LSST는 어떻게 최적의 일정을 수립할 수 있는가?
• RQ2 LIGO 및 기타 중력파 탐지기의 감도 향상 추세를 고려할 때, 2020년대 동안 예상되는 연계 GW-EM 탐지 수는 얼마인가?
• RQ3 대규모 연계 탐지 샘플은 중성자별 상태방정식과 최대 중성자별 질량에 대한 제약을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 LSST는 밀리노바 및 밀리노바와 관련된 약 10초 내외의 감쇠 전자기 방출을 탐지하고 특성화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 다양한 관측소 간의 협업 추적은 연계 GW-EM 사건으로부터 과학적 성과를 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• LSST 설문 일정은 LIGO 및 기타 중력파 탐지기의 감도 향상 계획과 유리하게 일치하여, 2020년대에 효율적인 연계 탐지 캠페인을 가능하게 한다.
• 중력파 탐지기 감도 향상에 따라 BNS 탐지 범위는 약 400 Mpc까지 확장되며, 다섯 곳의 글로벌 네트워크로 구성될 경우 사건 수가 증가한다.
• LSST의 넓은 시야와 깊이 덕분에 중력파 트리거 발생 후 몇 분 내로 천구 수십 제곱도의 넓은 천체를 효과적으로 스캔할 수 있으며, 이는 흐린 빛을 빠르게 사라지는 광학 대응체 탐지에 필수적이다.
• 대규모 연계 GW-EM 탐지 샘플을 통해 중성자별 상태방정식에 대한 정밀한 제약이 가능하며, 최대 중성자별 질량(M_TOV)에 대한 상한선도 도출할 수 있다.
• BH-NS 융합의 전자기 추적은 중성자별 반지름에 대한 독립적 제약을 제공하며, 일반 상대성 이론이 예측하는 블랙홀 사건의 경계 성질을 시험할 수 있다.
• LSST 및 기타 시설 간의 신속하고 조율된 추적은 희귀하거나 흐린 전자기 대응체를 탐지하고, 다중 메신저 천체물리학 분야에서 새로운 발견을 가능하게 하기 위해 필수적이다.