[논문 리뷰] Observational constraints on the optical and near-infrared emission from the neutron star-black hole binary merger S190814bv

K. Ackley, L. Amati외 152명|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|2020. 02. 05.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 278인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 중성자별-흑구 블랙홀 병합 후보자 S190814bv의 중력파로 감지된 사건에 대한 전자기적 병행체를 찾기 위한 다파장 관측 캠프레인을 제시한다. 깊이 있는 광학 및 근적외선 탐색이 수행되었으며, r ~ 22 및 K ~ 21의 감도를 확보했으나 병행체는 발견되지 않았다. 이는 0.1 M☉보다 큰 탈출 질량을 가진 카일로노바 모델이 90% 이상의 신뢰수준에서 배제됨을 의미하며, 중성자별의 상당한 tidal 분열이 일어나지 않았음을 강력히 반박한다.

ABSTRACT

On 2019 August 14, the LIGO and Virgo interferometers detected a high-significance event labelled S190814bv. Preliminary analysis of the GW data suggests that the event was likely due to the merger of a compact binary system formed by a BH and a NS. ElectromagNetic counterparts of GRAvitational wave sources at the VEry Large Telescope (ENGRAVE) collaboration members carried out an intensive multi-epoch, multi-instrument observational campaign to identify the possible optical/near infrared counterpart of the event. In addition, the ATLAS, GOTO, GRAWITA-VST, Pan-STARRS and VINROUGE projects also carried out a search on this event. Our observations allow us to place limits on the presence of any counterpart and discuss the implications for the kilonova (KN) possibly generated by this NS-BH merger, and for the strategy of future searches. Altogether, our observations allow us to exclude a KN with large ejecta mass $M\gtrsim 0.1\,\mathrm{M_\odot}$ to a high ($>90\%$) confidence, and we can exclude much smaller masses in a subsample of our observations. This disfavours the tidal disruption of the neutron star during the merger. Despite the sensitive instruments involved in the campaign, given the distance of S190814bv we could not reach sufficiently deep limits to constrain a KN comparable in luminosity to AT 2017gfo on a large fraction of the localisation probability. This suggests that future (likely common) events at a few hundreds Mpc will be detected only by large facilities with both high sensitivity and large field of view. Galaxy-targeted observations can reach the needed depth over a relevant portion of the localisation probability with a smaller investment of resources, but the number of galaxies to be targeted in order to get a fairly complete coverage is large, even in the case of a localisation as good as that of this event.

연구 동기 및 목표

• 중력파 사건 S190814bv, 즉 중성자별-흑구 블랙홀 이중성 병합 후보자의 광학 및 근적외선 전자기 병행체를 특정하기.
• 다수의 관측 에포크를 거친 깊은 관측에서의 비검출 결과를 활용하여 병합 중 또는 이후 생성된 카일로노바 유출의 성질을 제약하기.
• 미래의 중력파 후속 관측 캠프레인에서 광역 및 은하 목표 탐색 전략의 효율성을 평가하기.
• 현재 시설의 감도 한계를 천문거리 약 ~267 Mpc에서 카일로노바를 탐지하는 데서 평가하기.

제안 방법

• VST, GOTO, ATLAS, Pan-STARRS, VINROUGE 및 기타 시설을 활용하여 광학 및 근적외선 대역에서 다기기, 다에포크 관측 캠프레인을 실시.
• LIGO/Virgo에서 제공한 50% (90%) 신뢰 지역화 면적인 5 deg² (23 deg²)을 활용하여 타겟팅 및 광역 관측을 안내.
• 지역화 확률의 99.8%를 커버하는 범위에서 일반적으로 r ~ 22(광학) 및 K ~ 21(근적외선)의 깊은 광학적 촬영 탐색을 수행.
• 질량 가중 지역화 확률 내 은하에 대한 타겟팅 관측을 수행하여 질량 가중 영역의 약 50%를 커버.
• 다양한 탐색에서 확보한 자료를 통합하여 일시적 빛의 세기 상한선을 설정하고 카일로노바 모델을 제약.
• 비검출 결과를 바탕으로 표준 카일로노바 복사 모델을 가정하여 탈출 질량 및 복사 빛의 세기 제약을 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NS-BH 병합 후보자 S190814bv에 대한 전자기 병행체의 성격은 무엇인가?
• RQ2 약 ~267 Mpc 거리에서 NS-BH 병합과 관련된 카일로노바를 현재의 관측 캠프레인으로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 이 사건에서 생성된 카일로노바의 탈출 질량 및 빛의 세기 상한선은 무엇인가?
• RQ4 광역 및 은하 목표 탐색 전략은 희미하고 일시적인 카일로노바 신호를 탐지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 비검출 결과는 중성자별 병합 중 상당한 tidal 분열이 일어나지 않았음을 어느 정도 배제하는가?

주요 결과

• 캠프레인 동안 수행된 모든 광학 및 근적외선 탐색에서 확실한 전자기 병행체는 발견되지 않았다.
• 캠프레인은 일반적으로 r ~ 22(광학) 및 K ~ 21(근적외선)의 깊이를 확보하였으며, 지역화 확률의 최대 99.8%를 커버하였다.
• 은하 목표 탐색은 더 깊은 감도를 확보하였으며, 질량 가중 지역화 확률의 약 50%를 커버하였다.
• 탈출 질량 M > 0.1 M☉인 카일로노바는 90% 이상의 신뢰수준에서 배제되었으며, 중성자별의 상당한 tidal 분열이 일어나지 않았음을 강력히 반박한다.
• 감도가 높은 기구를 사용하더라도 S190814bv의 거리(267 ± 52 Mpc)로 인해 AT 2017gfo와 유사한 빛의 세기를 가진 카일로노바는 탐지되지 못하였다.
• 향후 유사한 거리의 NS-BH 병합 사건에서는 신뢰성 있는 탐지가 가능하도록 고감도 및 광역 시야를 동시에 확보한 대규모 시설이 필요할 것이다.