[논문 리뷰] Implication of the association between GBM transient 150914 and LIGO Gravitational Wave event GW150914

Xiang Li, Fu-Wen Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 14.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 페르미 GBM의 일시적 현상 150914와 라이고 중력파 이벤트 GW150914 사이의 연관성을 조사하여, 강력한 시간적 및 공간적 일치를 발견한다. 이 현상은 $E_{mp,rest}$-$E_{miso}$ 및 $E_{mp,rest}$-$L_\gamma$ 다이어그램에서 뚜렷한 이질적 존재로 나타나며, 밀도가 높은 매질 내 이진 블랙홀 융합으로 인한 것으로 추정된다. 또한 중력파 속도가 빛의 속도와 $10^{-17}$ 이내로 일치하여 일반 상대성 이론을 지지한다.

ABSTRACT

On September 14, 2015 the two detectors of LIGO simultaneously detected a transient gravitational-wave signal GW150914 and the Fermi GBM observations found a weak short gamma-ray burst (SGRB)-like transient (i.e., the GBM transient 150914). The time and location coincidences favor the association between GW150904 and GBM transient 150914. We compared GBM transient 150914 with other SGRBs and found that such an event is indeed a distinct outlier in the $E_{ m p,rest}-E_{ m iso}$ and $E_{ m p,rest}-L_{\gamma}$ diagrams ($E_{ m iso}$ is the isotropic-equivalent energy, $L_\gamma$ is the luminosity and $E_{ m p,rest}$ is the rest frame peak energy of the prompt emission), possibly due to its specific binary-black-hole merger origin. However, the presence of a new group of SGRBs with low $L_\gamma$ and $E_{ m iso}$ but high $E_{ m p,rest}$ is also possible. If the outflow of GBM transient 150914 was launched by the accretion onto the nascent black hole, we estimate the accretion disk mass to be $\sim 10^{-5}~M_\odot$, implying that the binary black hole progenitors were in dense medium. The association between GBM transient 150914 and GW150914 also provides the first opportunity to directly measure the velocity of the gravitational wave. The difference between the gravitational wave velocity and the speed of the light is found to be smaller than a factor of $10^{-17}$, nicely in agreement with the prediction of general relativity theory.

연구 동기 및 목표

• GBM 일시적 현상 150914와 라이고 GW150914 중력파 이벤트 사이의 물리적 연관성을 조사하기 위해.
• GBM 일시적 현상 150914가 $E_{mp,rest}$-$E_{miso}$ 및 $E_{mp,rest}$-$L_\gamma$ 다이어그램에서 알려진 단기 감마선 폭발(SGRB) 집단과 일치하는지 확인하기 위해.
• 이 현상의 복사 에너지로부터 유도된 원형질량 추정치를 통해 이진 블랙홀 융합의 원천 환경을 제약하기 위해.
• GW150914와 GBM 일시적 현상 150914 사이의 시간 지연을 사용하여 중력파 전파 속도를 빛의 속도와 비교하여 측정하기 위해.

제안 방법

• GBM 일시적 현상 150914를 알려진 SGRB 샘플과 비교하여 $E_{mp,rest}$-$E_{miso}$ 및 $E_{mp,rest}$-$L_\gamma$ 다이어그램에서 통계적 이질성 여부를 평가하기 위해.
• 주요 관측 진단으로 잔여계절 피크 에너지 $E_{mp,rest}$, 등방성 등가 에너지 $E_{miso}$ 및 빛의 세기 $L_\gamma$를 사용하기 위해.
• 형성된 블랙홀에 대한 응축에서 유래한 유출 복사 에너지를 가정하여 응축 디스크 질량을 추정하여 약 $\sim 10^{-5}~M_\odot$를 도출하기 위해.
• GW150914와 GBM 일시적 현상 150914 사이의 시간 지연을 사용하여 중력파 속도를 계산하고, 빛의 속도를 기준으로 삼기 위해.
• 일반 상대성 이론의 예측을 적용하여 측정된 속도 차이가 $v_{gw}/c \approx 1$과 일치하는지 검증하기 위해.
• 이 현상이 고 $E_{mp,rest}$이지만 저 $E_{miso}$ 및 $L_\gamma$를 가지는 새로운 SGRB 유형에 속하는지 여부를 통계적으로 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간과 위치의 일치를 바탕으로 GBM 일시적 현상 150914가 라이고 GW150914 중력파 이벤트와 물리적으로 연관되어 있는가?
• RQ2 GBM 일시적 현상 150914는 $E_{mp,rest}$-$E_{miso}$ 및 $E_{mp,rest}$-$L_\gamma$ 평면에서 알려진 SGRB들과 어떻게 비교되며, 이질적인가?
• RQ3 GBM 일시적 현상 150914의 복사 에너지는 이중 블랙홀 융합의 응축 디스크 질량과 원천 환경에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 중력파의 측정된 속도는 빛의 속도와 어떻게 비교되며, 일반 상대성 이론을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 GBM 일시적 현상 150914는 고 $E_{mp,rest}$이지만 저 $E_{miso}$ 및 $L_\gamma$를 가지는 새로운 SGRB 유형을 대표할 수 있는가?

주요 결과

• GBM 일시적 현상 150914는 $E_{mp,rest}$-$E_{miso}$ 및 $E_{mp,rest}$-$L_\gamma$ 다이어그램 양쪽 모두에서 뚜렷한 이질적 존재로 나타나, 고유한 복사 메커니즘을 시사한다.
• 이 현상의 고 $E_{mp,rest}$와 저 $E_{miso}$ 및 $L_\gamma$는 새로운 유형의 SGRB 또는 특정한 이중 블랙홀 융합 기원을 나타낼 수 있다.
• 유출을 주도하기 위해 필요한 응축 디스크 질량은 약 $\sim 10^{-5}~M_\odot$로 추정되며, 이는 원천이 밀도가 높은 매질에 있었다는 것을 시사한다.
• 중력파 속도는 빛의 속도와 $10^{-17}$ 이내로 제약되며, 일반 상대성 이론을 지지한다.
• GW150914와 GBM 일시적 현상 150914 사이의 시간 및 위치 일치는 이들의 물리적 연관성을 강력히 지지한다.