[논문 리뷰] Searches for TeV gamma-ray counterparts to Gravitational Wave events with H.E.S.S

H. Ashka, Schüssler, Fabian외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 25.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 LIGO와 Virgo가 기록한 O2 기간 동안의 중력파 사건인 GW170814(이원 블랙홀 융합)과 GW170817(이원 중성자별 융합)에 대해 H.E.S.S. 체링코프 망원경 어레이를 이용해 처음으로 VHE 감마선 후속 관측을 수행한다. 유의미한 감마선 방출이 관측되지 않았지만, 분석을 통해 이러한 잔여물에 대한 비열적 테바르 방출에 대한 첫 번째 통합 상한선을 확립하였으며, 이는 다중메시저 천체물리학 모델에 중요한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The search for electromagnetic counterparts for gravitational waves events is one of the main topics of multi-messenger Astrophysics. Among these searches is the one for high energy gamma-ray emission with the H.E.S.S. Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes in Namibia. During their second Observation Run O2, the Advanced Virgo detector in Italy and the two advanced LIGO detectors in Washington and Louisiana while conducting joint observations, detected for the first time, on August $14^{th}$, 2017 a transient GW signal due to the coalescence of two stellar masses black holes, an event labeled GW170814. The alert announcing the event was issued two hours later and H.E.S.S. observations could be scheduled for the nights of $16^{th}$, $17^{th}$ and $18^{th}$ August 2017. Three days after the binary BH merger, on August $17^{th}$, the coalescence of two neutron star was detected for the first time, followed by a GRB detection by Fermi's GBM starting a new era in multi-messenger Astronomy. Observations started 5.3 h after the merge and contained the counterpart SSS17a that was identified several hours later. It stands as the first data obtained by a ground-based pointing instrument on this object. In this contribution, we will present the results of the search of high-energy gamma ray emission as electromagnetic counterpart of these two GW events. No significant gamma ray emission was detected for either event. Nevertheless upper limit maps were derived constraining, for the first time, the non-thermal, high-energy emission on the remnant of a three detector binary black hole coalescence (GW170814), and a binary neutron star coalescence (GW170817).

연구 동기 및 목표

• LIGO와 Virgo가 O2 기간 동안 감지한 중력파 사건에 대한 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 대응체를 탐색하기 위해.
• 지상 기반 VHE 감마선 천체망원경을 이용해 이원 블랙홀 및 이원 중성자별 융합 잔여물에서 비열적 방출을 제약하기 위해.
• H.E.S.S. 어레이가 실시간으로 중력파 경고에 반응하는 성능과 반응 효율성을 평가하기 위해.
• 세 개의 탐지기로 구성된 이원 블랙홀 융합 사건(GW170814)과 이원 중성자별 융합 사건(GW170817)에 대해 처음으로 VHE 감마선 상한선를 제공하기 위해.

제안 방법

• H.E.S.S.는 28미터와 4개의 12미터 망원경을 사용하여 50 GeV에서 100 TeV 사이의 감마선에 민감한 후속 관측을 수행하였다.
• 관측은 중력파 트리거 이후 LALInference 기반의 하늘 위치 지도를 바탕으로 스케줄링되었으며, 자동화된 경고 처리 시스템 덕분에 빠른 반응이 가능했다.
• 데이터는 표준 H.E.S.S. 분석 파이프라인을 사용하여 통계적 지도와 통합 방출 상한선를 산출하기 위해 분석되었다.
• 에너지 범위 250 GeV < E < 20 TeV에서 일반적인 E⁻² 스펙트럼을 가정하고, 각도 의존성과 망원경 수용각을 고려하여 상한선를 계산하였다.
• GW170814의 최종 90% 신뢰 영역은 초기에 더 정밀도가 낮은 지도를 기반으로 한 스케줄링에도 불구하고 커버리지 검증에 사용되었다.
• GW170817의 경우 H.E.S.S.의 반응 시간은 LALInference 지도 발표 후 5분 이내였으며, 이는 중성자별 융합 사건에 대해 지상 기반에서 처음으로 VHE 관측을 수행한 것이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세 관측소로 구성된 LIGO-Virgo가 감지한 이원 블랙홀 융합 잔여물에서 매우 높은 에너지 감마선 방출 수준은 얼마인가요?
• RQ2 지상 기반 VHE 감마선 천체망원경은 트리거 발생 후 몇 분 내로 중력파 사건의 전자기적 대응체를 탐지할 수 있나요?
• RQ3 이원 중성자별 융합에 대한 비열적 테바르 방출에 대한 첫 번째 통합 상한선는 무엇인가요?
• RQ4 H.E.S.S. 어레이는 얼마나 효과적으로 중력파 사건의 국소화 영역을 최소한의 지연으로 커버할 수 있나요?
• RQ5 중력파 국소화 지도의 체계적 이동이 후속 관측의 민감도에 얼마나 큰 영향을 미치나요?

주요 결과

• GW170814나 GW170817의 후속 관측 기간 동안 유의미한 VHE 감마선 방출은 관측되지 않았다.
• GW170817의 경우 H.E.S.S.는 LALInference 하늘 위치 지도 발표 후 5분 이내에 반응하여, 중성자별 융합 사건에 대해 지상 기반에서 처음으로 VHE 관측을 수행하였다.
• GW170814의 경우, 초기에 더 정밀도가 낮은 국소화 지도를 기반으로 한 스케줄링에도 불구하고, 최종 90% 신뢰 영역의 약 90%를 커버하였다.
• 에너지 범위 250 GeV < E < 20 TeV에서 비열적 방출에 대한 통합 상한선를 유도하였으며, 이는 세 탐지기로 구성된 이원 블랙홀 융합 사건에 대해 처음으로 제약 조건을 설정한 것이다.
• GW170814의 상한선 지ap은 별질량 블랙홀 이중성 잔여물에서 테바르 방출에 대한 첫 번째 실증적 제약 조건을 제공한다.
• GW170817의 결과는 270 GeV에서 8.55 TeV 범위에서 엄격한 상한선를 설정하였으며, 중성자별 융합에서 비열적 방출을 설명하는 모델들을 크게 제약한다.