[논문 리뷰] The kilonova of GW190425-like events

C. Barbieri, O. S. Salafia외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 21.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 15인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 GW190425 유사 사건의 쿼이드라우트 빛의 변화를 모델링하여, 블랙홀-중성자별 이중성계가 더 높은 탈출 질량과 블랙홀 스핀 효과로 인해 더 밝은 쿼이드라우트를 생성함을 보여준다. 중력파로부터 유도된 찌르프 질량과 광도 거리는 전자기적 뒷받질 캠페인에서 이중성계의 조성을 구분하는 데 기여한다. 특히 하늘 위치가 불확실할 경우 유용하다.

ABSTRACT

GW190425 is the newly discovered compact object binary coalescence consistent with a neutron star-neutron star merger, with a chirp mass of $1.44\pm0.02M_\odot$. No electromagnetic counterpart is firmly associated with this event, due to the poorly informative sky localisation and larger distance, compared to GW/GRB170817. The detection of the gravitational wave signal alone can not rule out the presence of a black hole in the binary. In this case, the system would host a neutron star and a very light stellar black hole, with a mass close to the maximum value for neutron stars. We show that the possible presence of such a black hole in GW190425 would produce a brighter kilonova emission with respect to the double neutron star case. Therefore in GW190425-like events more precisely localised, the identification of a kilonova could help distinguishing the nature of the merging system. The chirp mass is a key parameter when joint gravitational and electromagnetic observations are possible. The knowledge of its value could help conducting strategic electromagnetic follow-up campaigns that would enhance the probability to identify the nature of the binary and the host galaxy. For GW190425-like events, we construct kilonova light curve models, for both double neutron star and black hole-neutron star binaries, considering two equations of state both consistent with the observations of GW170817 and GW190425, and including black hole spin effects. We show that among the candidate counterparts of GW190425, all classified as supernovae, our models would exclude two events through their early $r$-band flux evolution. This illustrates that combining the chirp mass and luminosity distance information (provided by the GW signal) with a library of kilonovae light curves can help the electromagnetic follow up campaign, particularly for events with a poor sky localization.

연구 동기 및 목표

• 중성자별과 매우 가벼운 블랙홀을 포함한 GW190425 유사 사건이 이중 중성자별 병합과 비교해 특별한 쿼이드라우트 서명을 나타내는지 여부를 규명하는 것.
• 쿼이드라우트 빛의 변화를 이용해 전자기적 뒷받질 캠페인으로 이중 중성자별과 블랙홀-중성자별 시스템을 식별할 수 있는지 평가하는 것.
• 중력파 신호로부터 유도된 찌르프 질량과 광도 거리가 위치가 불확실한 사건의 전자기적 뒷받질 타깃 선정을 얼마나 향상시킬 수 있는지 평가하는 것.
• 특히 초기 r-대역 광도 변화에 기반해 GW190425 후보 반지성체의 일관성을 쿼이드라우트 모델과 비교하여 검토하는 것.

제안 방법

• GW170817과 GW190425 관측 결과에 부합하는 두 가지 상태방정식을 사용하여 이중 중성자별과 블랙홀-중성자별 이중성계의 쿼이드라우트 빛의 변화를 모델링한다.
• 블랙홀 스핀 효과를 쿼이드라우트 모델에 통합하여 탈출 질량과 광도에 미치는 영향을 평가한다.
• 중력파로부터 유도된 찌르프 질량과 광도 거리를 모델링 프레임워크의 핵심 제약 조건으로 사용한다.
• 예측된 빛의 변화와 GW190425 후보 반지성체의 관측된 초기 r-대역 광도와 비교하며, 초신성로 분류된 후보들까지 포함한다.
• 쿼이드라우트 모델 라이브러리를 적용하여 광도 변화 기반으로 각 후보가 진정한 쿼이드라우트일 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿼이드라우트 빛의 변화는 GW190425 유사 사건에서 이중 중성자별과 블랙홀-중성자별 시스템을 구분할 수 있는가?
• RQ2 블랙홀 스핀과 상태방정식은 예측된 쿼이드라우트 광도와 빛의 변화 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중력파로부터 유도된 찌르프 질량과 광도 거리는 전자기적 뒷받질 타깃 선정을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 초신성로 분류된 알려진 GW190425 후보 반지성체들 중에서 초기 r-대역 광도 변화에 기반해 배제할 수 있는가?

주요 결과

• GW190425 유사 사건에서 블랙홀-중성자별 이중성계는 더 높은 탈출 질량과 스핀 효과로 인해 이중 중성자별 시스템보다 훨씬 더 밝은 쿼이드라우트 방출을 생성한다.
• 블랙홀 스핀을 고려할 경우 예측된 쿼이드라우트 광도가 증가하며, 특히 초기 단계에서 감지 가능성이 향상된다.
• 이전에 초신성로 분류된 GW190425의 두 후보 반지성체는 초기 r-대역 광도 변화가 일관되지 않아 모델에 의해 배제된다.
• 중력파로부터 유도된 찌르프 질량과 광도 거리의 조합은 더 전략적인 전자기적 뒷받질을 가능하게 하며, 이중성계의 성격과 은하수의 식별을 향상시킨다.