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

K. Ackley, L. Amati+152 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Feb 5, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 278被引用 29

一句话总结

本研究开展了一项多波段观测活动，旨在搜寻由引力波探测到的中子星-黑洞并合候选体 S190814bv 的电磁对应体。尽管进行了深度的光学和近红外巡天，探测极限分别达到 r ~ 22 和 K ~ 21，但未发现对应体，从而对质量大于 M > 0.1 M☉ 的千新星模型施加了强约束，排除了中子星发生显著潮汐撕裂的可能性。

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.

研究动机与目标

• 识别引力波事件 S190814bv（一个中子星-黑洞双星并合候选体）的光学与近红外电磁对应体。
• 通过非探测结果，约束并合过程中或之后产生的千新星喷流的性质。
• 评估宽场巡天与星系定向巡天策略在未来的引力波后续观测活动中的有效性。
• 评估当前设施在探测宇宙学距离（约 267 Mpc）处千新星信号的灵敏度极限。

提出的方法

• 利用 VST、GOTO、ATLAS、Pan-STARRS、VINROUGE 等设施，开展了协调一致的、多仪器、多 epoch 的光学与近红外波段观测活动。
• 基于 LIGO/Virgo 提供的 50%（90%）可信定位区域（分别为 5 deg² 和 23 deg²），指导宽场与定向观测。
• 在 99.8% 的定位概率区域内，执行了典型深度为 r ~ 22（光学）和 K ~ 21（近红外）的深度测光巡天。
• 针对质量加权定位概率区域内的星系进行了定向观测，覆盖了约 50% 的质量加权区域。
• 整合多个巡天的数据，设定瞬变源光度的上限，并对千新星模型进行约束。
• 基于非探测结果，假设标准千新星辐射模型，推导出喷出物质量与辐射光度的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星-黑洞并合候选体 S190814bv 的电磁对应体性质是什么？
• RQ2 当前观测活动能否在约 267 Mpc 的距离上探测到与 NS-BH 并合相关的千新星？
• RQ3 该事件产生的千新星喷出物质量与光度的上限是多少？
• RQ4 宽场与星系定向巡天策略在探测微弱且短暂的千新星信号方面有多高效？
• RQ5 非探测结果在多大程度上排除了中子星在并合过程中发生显著潮汐撕裂的可能性？

主要发现

• 在本次活动期间进行的所有光学与近红外巡天中，均未检测到可信的电磁对应体。
• 该活动实现了典型深度 r ~ 22（光学）和 K ~ 21（近红外），覆盖了高达 99.8% 的定位概率。
• 星系定向观测达到了更深的探测极限，覆盖了约 50% 的质量加权定位概率区域。
• 在 >90% 的置信水平下，排除了喷出物质量 M > 0.1 M☉ 的千新星模型，强烈表明中子星未发生显著的潮汐撕裂。
• 即使使用灵敏仪器，S190814bv 的距离（267 ± 52 Mpc）仍使探测到与 AT 2017gfo 光度相当的千新星成为不可能。
• 未来在类似距离的 NS-BH 并合事件中，需依赖兼具高灵敏度与大视场的大型设施，才能实现可靠探测。