[論文レビュー] Fermi-LAT observations of the LIGO/Virgo event GW170817

LAT Collaboration|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、南大西洋帯通過中のため、LATがプロンプト放射を捉えられなかった重力波イベント GW170817 及び関連する短時間ガンマ線バースト GRB 170817A について、数分から数日間のスケールでの高エネルギー（E > 100 MeV）放射を焦点としている。LATはプロンプト放射を欠測したが、t_GW + 1153 s から t_GW + 2027 s の間の放射線フラックスに対して95%信頼水準の上限を 4.5 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹ と設定し、これは10⁴³ erg s⁻¹の全放射光度上限（9.7 × 10⁴³ erg s⁻¹）に対応する。これはGRB 090510のそれよりも5桁低い値であり、高エネルギー放射成分が著しく弱いことを示している。

ABSTRACT

We present the Fermi Large Area Telescope (LAT) observations of the binary neutron star merger event GW170817 and the associated short gamma-ray burst (SGRB) GRB\,170817A detected by the Fermi Gamma-ray Burst Monitor. The LAT was entering the South Atlantic Anomaly at the time of the LIGO/Virgo trigger ($t_{ m GW}$) and therefore cannot place constraints on the existence of high-energy (E $>$ 100 MeV) emission associated with the moment of binary coalescence. We focus instead on constraining high-energy emission on longer timescales. No candidate electromagnetic counterpart was detected by the LAT on timescales of minutes, hours, or days after the LIGO/Virgo detection. The resulting flux upper bound (at 95\% C.L.\/) from the LAT is $4.5 imes$10$^{-10}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$ in the 0.1--1 GeV range covering a period from T0 + 1153 s to T0 + 2027 s. At the distance of GRB\,170817A, this flux upper bound corresponds to a luminosity upper bound of 9.7$ imes10^{43}$ erg s$^{-1}$, which is 5 orders of magnitude less luminous than the only other LAT SGRB with known redshift, GRB\,090510. We also discuss the prospects for LAT detection of electromagnetic counterparts to future gravitational wave events from Advanced LIGO/Virgo in the context of GW170817/GRB\,170817A.

研究の動機と目的

• 南大西洋帯の影響によるデータギャップ中に発生した二つの中性子星合体イベント GW170817 に関連する高エネルギー（E > 100 MeV）電磁放射を制限すること。
• 短時間ガンマ線バースト（SGRB）の文脈において、将来的な重力波イベントにおける Fermi-LAT の高エネルギー放射検出可能性を評価すること。
• GRB 170817A の高エネルギー放射光度を、GRB 090510 など、LAT で検出された他の SGRB と比較し、固有の放射特性を推定すること。
• 現在の観測戦略および潜在的な改善策を踏まえて、将来の重力波・ガンマ線バースト連携イベントにおける LAT の検出確率を評価すること。

提案手法

• LAT は GW170817 トリガーの1153～2027秒後に観測されたデータを分析した。この期間中、LAT は正常に科学データを収集していた。
• NGC 4993（GRB 170817A の宿主銀河）の位置で、0.1～1 GeV のエネルギー範囲における一時的高エネルギー放射を検出するためのブラインドサーチを実施した。
• 非検出状態における標準的な統計的手法を用い、装置応答関数に基づき、95%信頼水準でのフラックス上限を計算した。
• フラックス上限を 42.5 Mpc の距離に換算することで、全放射光度の上限を導出した。
• LAT が SGRB を検出できる感度を、GRB 170817A の観測されたフルエンスおよび放射プロファイルと、過去に検出された LAT SGRB とを比較することで評価した。
• 観測指向戦略、トリガー遅延、検出効率をもとに、将来の GW/SGRB イベントにおける LAT 検出確率を推定した。感度シミュレーションでは、真上および非真上指向のジェットモデルを仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW170817 トリガーの1153～2027秒間の間に、GRB 170817A からの高エネルギー（E > 100 MeV）フラックス上限は何か？
• RQ2 GRB 170817A の高エネルギー放射光度は、GRB 090510 など、他の LAT で検出された SGRB と比べてどう異なるか？
• RQ3 GW トリガー時刻に LAT が観測を実施していた場合、GRB 170817A の高エネルギー放射を検出する確率はどの程度であったか？
• RQ4 GBM トリガーに応じた自動衛星ア公転が、LAT による GW/EM 連携イベントの検出確率をどのように向上させるか？
• RQ5 現在の LAT 観測制約を踏まえると、将来の二つの中性子星合体イベントからの高エネルギー放射の検出可能性はどの程度か？

主な発見

• Fermi-LAT は GW170817 トリガーの1153～2027秒間の間に、GRB 170817A からの高エネルギー放射を検出しなかった。0.1～1 GeV 範囲で95%信頼水準のフラックス上限は 4.5 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹ であった。
• このフラックス上限は、42.5 Mpc の距離で 9.7 × 10⁴³ erg s⁻¹ の全放射光度上限に対応するが、これは GRB 090510（赤方偏移が既知の唯一の LAT 検出 SGRB）のそれよりも5桁低い値である。
• 9年間にわたる Fermi ミッション全体を通じて、NGC 4993 からの高エネルギー信号は有意に検出されず、0.1～100 GeV 範囲での全放射光度上限は 2.9 × 10⁴¹ erg s⁻¹ であった。
• GRB 170817A の高エネルギー放射を高い確率で検出するには、GBM トリガーから約100秒以内に観測を開始する必要があった。これは、過去に検出された SGRB との比較から導かれた。
• 現在の観測戦略では、LAT はトリガーから100秒以内に約23%の SGRB を観測でき、年間の GW/SGRB 連携イベント検出確率は約5%である。
• GBM トリガーに応じた自動衛星ア公転を導入すれば、100秒以内に観測可能な SGRB の割合は少なくとも35%に上昇し、年間検出確率は7%（年2回発生する場合13%）に上昇する。