[論文レビュー] Astro2020 Science White Paper: Radio Counterparts of Compact Object Mergers in the Era of Gravitational-Wave Astronomy

A. Corsi, Nicole Lloyd-Ronning+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 42被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、重力波観測所が検出する中性子星-中性子星衝突および中性子星-ブラックホール衝突の変革的ラジオ後続観測を可能にするために、現在のVLAに比べて感度と分解能が10倍向上した次世代Very Large Array（ngVLA）の実現を提唱している。VLBIおよび偏光測定を用いて相対論的ジェット、噴出物構造、磁場を解像することで、ジェット物理学、前身環境、中性子星の状態方程式に関する重要な知見が得られる。特に、明るいγ線対応体を持たない非軸対称イベントにおいて顕著である。

ABSTRACT

GHz radio astronomy has played a fundamental role in the recent dazzling discovery of GW170817, a neutron star (NS)-NS merger observed in both gravitational waves (GWs) and light at all wavelengths. Here we show how the expected progress in sensitivity of ground-based GW detectors over the next decade calls for U.S.-based GHz radio arrays to be improved beyond current levels. We discuss specifically how several new scientific opportunities would emerge in multi-messenger time-domain astrophysics if a next generation GHz radio facility with sensitivity and resolution $10 imes$ better than the current Jansky Very Large Array (VLA) were to work in tandem with ground-based GW detectors. These opportunities include probing the properties, structure, and size of relativistic jets and wide-angle ejecta from NS-NS mergers, as well as unraveling the physics of their progenitors via host galaxy studies.

研究の動機と目的

• 次世代重力波検出器によるコンパクト物体合体の検出率の増加に対応するため、ラジオ感度と空間分解能の向上の必要性に対応する。
• 明るいγ線対応体を持たない非軸対称ジェットイベントにおいて、現在のラジオアレイが高速な噴出物および磁場構造を解像できないという制限を克服する。
• NS-NSおよびNS-BH合体の宿主銀河の詳細な研究を可能にし、形成経路、星形成歴、および誕生キック速度分布を制約する。
• ラジオ偏光測定および超長基線干渉計測定（VLBI）を活用し、相対論的噴出物の磁場配置および粒子加速機構を調査する。
• 重力波イベントと宿主銀河の統計的関連づけを可能にすることで、コンパクト二重星合体の集団的分析を支援するが、明確な電磁的対応体が存在しない場合でも有効である。

提案手法

• 典型的なパラメータ（E = 10⁵¹ erg、n_ISM = 0.005 cm⁻³、ϵₑ = ϵ_B = 0.1）を仮定し、前方波および逆方向波の成分、潮汐噴出物、非軸対称幾何学的構造を含むNS-NS合体のラジオ光曲線をモデル化する。
• 2.4 GHzおよび8 GHzにおけるngVLAの可視度関数をシミュレートし、現在のVLAおよび均一ディスクや相対論的フレイバルの合成モデルと比較して分解能とダイナミックレンジを評価する。
• VLBI画像再構成シミュレーションを用いて、ngVLAが150日後におけるGW170817のラジオ後光のサブアーキセコンド構造をどれほど解像できるかを評価する。
• 偏光測定技術を用いて、ビーム効果が最小限に抑えられる非軸対称ジェットにおける磁場トポロジーを推定する。
• 単一電波望遠鏡によるHI観測（例：GBT）と干渉計画像法を統合し、GW170817のような合体の宿主銀河におけるガス含量および環境制約を調査する。
• 短いγ線バースト（GRB）の宿主銀河特性を基に、120 Mpc以内の距離でngVLAが宿主銀河をどれほど解像できるかを推定する。ここでは、最近の星形成を示すラジオ連続対応をトレーサーとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ngVLAの感度と空間分解能の向上により、非軸対称NS-NSおよびNS-BH合体のラジオ対応体の検出と特徴づけはどのように可能になるか？
• RQ2 ラジオ偏光測定およびVLBIは、コンパクト物体合体に由来する相対論的ジェットにおける磁場構造および速度分布をどの程度解像できるか？
• RQ3 解像されたラジオ観測により、コンパクト二重星系の形成経路および誕生キック速度の制約はどのように向上するか？
• RQ4 光学およびX線信号がビーム効果を受けるか弱い場合に、ラジオ放射はNS-NS合体における噴出物構造および噴出物ダイナミクスの多様性をどのようにマッピングできるか？
• RQ5 明るい電磁的対応体が存在しない場合でも、宿主銀河のラジオ観測により、GWイベントと宿主銀河集団との統計的関連づけは可能か？

主な発見

• ngVLAは8 GHzで1時間の積算で3σ感度約0.66 μJyに達し、GW170817の後光のような微弱なラジオ対応体の検出が可能になる。
• ngVLAは150日後のGW170817の2.4 GHz後光（約100 μJy）をサブアーキセコンド分解能で解像でき、軸対称と非軸対称ジェットモデルを区別できる。
• ngVLAは120 Mpc以内の短いGRBに類似した宿主銀河の100％を解像可能（図3の破線上）であり、現在のVLAではわずかな割合（青線上）にとどまる。
• ラジオ観測によりngVLAは相対論的噴出物内の磁場構造を直接探査でき、中性子星の状態方程式および磁化度を理解する上で重要な制約が得られる。
• ngVLAは、GBTを用いた原子ガス（例：HI）観測および宿主銀河内の星形成の解像された研究を可能にし、SFR推定における年齢-チリ-金属量のデgeneracyを解消する手助けになる。
• ngVLAがなければ、将来的に検出率が上昇する中で米国のラジオアレイはGW170817に類似したイベントの後続観測において競争力を失い、貴重なマルチメッセンジャーデータの損失のリスクが生じる。