[논문 리뷰] Fermi-LAT observations of the LIGO/Virgo event GW170817

LAT Collaboration|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 페르미-LAT가 중성자별 쌍성 합병 사건 GW170817 및 관련된 단기 감마선 폭발 GRB 170817A를 관측한 결과를 제시하며, 분석은 분당에서 수일에 이르는 시간 스케일에서 고에너지(E > 100 MeV) 복사에 집중한다. LAT는 남대서양 비정상 지역 통과로 인해 즉각적인 복사 방출을 놓쳤지만, t_GW + 1153 s에서 t_GW + 2027 s 사이에 95% 신뢰수준에서 복사율 상한선 4.5 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹를 설정하였으며, 이는 9.7 × 10⁴³ erg s⁻¹의 빛줄기 상한선으로 환산되며, GRB 090510의 값보다 5개 항목 낮아 고에너지 복사 성분이 훨씬 덜 빛나는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

We present the Fermi Large Area Telescope (LAT) observations of the binary neutron star merger event GW170817 and the associated short gamma-ray burst (SGRB) GRB\,170817A detected by the Fermi Gamma-ray Burst Monitor. The LAT was entering the South Atlantic Anomaly at the time of the LIGO/Virgo trigger ($t_{ m GW}$) and therefore cannot place constraints on the existence of high-energy (E $>$ 100 MeV) emission associated with the moment of binary coalescence. We focus instead on constraining high-energy emission on longer timescales. No candidate electromagnetic counterpart was detected by the LAT on timescales of minutes, hours, or days after the LIGO/Virgo detection. The resulting flux upper bound (at 95\% C.L.\/) from the LAT is $4.5 imes$10$^{-10}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$ in the 0.1--1 GeV range covering a period from T0 + 1153 s to T0 + 2027 s. At the distance of GRB\,170817A, this flux upper bound corresponds to a luminosity upper bound of 9.7$ imes10^{43}$ erg s$^{-1}$, which is 5 orders of magnitude less luminous than the only other LAT SGRB with known redshift, GRB\,090510. We also discuss the prospects for LAT detection of electromagnetic counterparts to future gravitational wave events from Advanced LIGO/Virgo in the context of GW170817/GRB\,170817A.

연구 동기 및 목표

• 이중 중성자별 합병 사건 GW170817과 관련된 고에너지(E > 100 MeV) 전자기 복사 방출을 제약하기 위해, 페르미-LAT 데이터 갭 기간 동안 남대서양 비정상 지역 통과로 인해 발생한 관측 불가능성에 대응한다.
• 미래의 중력파 사건에서 고에너지 복사 방출이 페르미-LAT에 의해 탐지 가능한지 평가하기 위해, 특히 단기 감마선 폭발의 맥락에서 고려한다.
• GRB 170817A의 고에너지 빛줄기 강도를 GRB 090510과 같은 이전에 LAT에 의해 탐지된 다른 단기 감마선 폭발들과 비교하여 내재된 복사 특성을 추론한다.
• 현재 및 향후 향상된 관측 전략에 기반해, 페르미-LAT가 미래의 중력파 및 감마선 폭발 동시 사건을 탐지할 확률을 평가한다.

제안 방법

• GW170817 트리거 이후 1153–2027초 간격 동안 페르미-LAT 데이터를 분석하였으며, 이 기간 동안 LAT는 기능을 유지하고 과학 데이터를 수집하였다.
• NGC 4993(즉, GRB 170817A의 은하계) 위치에서 0.1–1 GeV 에너지 범위 내 임시 고에너지 복사 방출을 위한 블라인드 서치를 수행하였다.
• 비감지 사례에 대한 표준 통계 방법을 사용하여, 장치 응답 함수에 기반해 95% 신뢰수준에서 복사율 상한선을 계산하였다.
• 복사율 상한선을 42.5 Mpc 거리의 소스로 변환하여 빛줄기 상한선을 유도하였다.
• LAT의 SGRB 탐지 민감도는 GRB 170817A의 관측된 복사량과 방출 프로파일을 이전에 탐지된 LAT SGRB들과 비교하여 평가하였다.
• 관측 포인팅 전략, 트리거 지연 시간, 탐지 효율성에 기반해, 향후 GW/SGRB 사건의 탐지 가능성을 추정하였으며, 축방향 및 비축방향 제트 모델을 가정한 민감도 시뮬레이션을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW170817 트리거 이후 1153–2027초 간격 동안 GRB 170817A의 고에너지(E > 100 MeV) 복사율 상한선은 무엇인가?
• RQ2 GRB 170817A의 고에너지 빛줄기 강도는 GRB 090510과 같은 다른 LAT 탐지 단기 감마선 폭발과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 만약 LAT가 GW 트리거 시점에 관측 중이었다면, GRB 170817A의 고에너지 복사 방출을 탐지할 가능성이 얼마나 높았는가?
• RQ4 GBM 트리거에 의해 유도된 자동 위성 기립이 SGRB에 의해 향후 GW/EM 동시 사건의 LAT 탐지 가능성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 현재 LAT 관측 제약 조건을 고려할 때, 향후 이중 중성자별 합병 사건에서 고에너지 복사 방출을 탐지할 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• 페르미-LAT는 GW170817 트리거 이후 1153–2027초 간격 동안 GRB 170817A에서 고에너지 복사 방출을 탐지하지 못하였으며, 0.1–1 GeV 에너지 범위에서 95% 신뢰수준에서 복사율 상한선 4.5 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹를 설정하였다.
• 이 복사율 상한선는 거리 42.5 Mpc에서 9.7 × 10⁴³ erg s⁻¹의 빛줄기 상한선으로 환산되며, 이는 GRB 090510(다른 유일한 적색편이가 알려진 LAT 탐지 SGRB)의 값보다 5개 항목 낮다.
• 9년에 걸친 페르미 미션 기간 동안 NGC 4993 은하계에서 고에너지 신호는 탐지되지 않았으며, 이는 0.1–100 GeV 범위에서 빛줄기 상한선 2.9 × 10⁴¹ erg s⁻¹로 이어진다.
• GRB 170817A의 고에너지 복사 방출을 높은 확률로 탐지하기 위해 LAT는 GBM 트리거 이후 약 100초 이내에 관측을 시작해야 했을 것으로, 이전에 탐지된 SGRB들과의 비교에 기반한다.
• 현재 관측 전략 하에 LAT는 트리거 이후 100초 이내에 약 23%의 SGRB를 관측하며, 연간 5%의 확률로 GW/SGRB 동시 사건을 탐지할 수 있다.
• GBM 트리거에 의해 유도된 자동 위성 기립을 통해, 100초 이내로 관측 가능한 SGRB 비율은 최소 35%로 증가하며, 연간 동시 탐지 확률은 7%로 상승한다(매년 두 건의 사건이 발생할 경우 13%).