[論文レビュー] Opportunities for Multimessenger Astronomy in the 2020s

Eric Burns, A. Tohuvavohu+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 17被引用数 9

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、2020年代におけるマルチメッセンジャーアストロノミーの変革的潜在能力を、重力波、ニュートリノ、宇宙線、電磁放射線の統合によって明らかにしている。リアルタイムで連携された検出ネットワークと、機関間の連携を強化したコミュニケーション体制の構築を提唱し、日常的なマルチメッセンジャー追跡を可能にすることで、天文学および素粒子物理学分野における発見の最大化を図る。

ABSTRACT

Electromagnetic observations of the sky have been the basis for our study of the Universe for millennia, cosmic ray studies are now entering their second century, the first neutrinos from an astrophysical source were identified three decades ago, and gravitational waves were directly detected only four years ago. Detections of these messengers are now common. Astrophysics will undergo a revolution in the 2020s as multimessenger detections become routine. The 8th Astro2020 Thematic Area is Multimessenger Astronomy and Astrophysics, which includes the identification of the sources of gravitational waves, astrophysical and cosmogenic neutrinos, cosmic rays, and gamma-rays, and the coordinated multimessenger and multiwavelength follow-ups. Identifying and characterizing multimessenger sources enables science throughout and beyond astrophysics. Success in the multimessenger era requires: (i) sensitive coverage of the non-electromagnetic messengers, (ii) full coverage of the electromagnetic spectrum, with either fast-response observations or broad and deep high-cadence surveys, and (iii) improved collaboration, communication, and notification platforms.

研究の動機と目的

• 21世紀の天文学の基盤として、連携されたマルチメッセンジャーアプローチによる天体源の検出を提唱すること。
• マルチメッセンジャートランスジェントの迅速かつ共同追跡を可能にするために必要な、重要なインfrastrutureおよび通信プラットフォームを特定すること。
• SN 1987A や GW170817 といった過去の出来事で明らかになった制限を克服するため、早期警戒および対応体制の改善を図ること。
• NASA、NSF、および国際機関間の協力を強化し、マルチメッセンジャーミッションの目標と資金を一致させること。
• トランスジェントイベントからの科学的リターンを最大化するため、スペクトル全域における電磁的および非電磁的カバレッジを完全に確保すること。

提案手法

• 電波からテラエレクトロン・ガンマ線に至る電磁スペクトル全域の既存および将来の観測施設を活用し、バンド幅広い、高頻度のモニタリングを可能にする。
• 重力波（LIGO/Virgo）、ニュートリノ（IceCube、Super-K）、高エネルギーガンマ線（Fermi、HAWC）検出器からのリアルタイムアラートパイプラインを統合する。
• コアコラプス超新星の早期検出を可能にするモデルとして、スーパーノヴァ・エアリー・ウェーニング・システム（SNEWS）を活用する。
• 特に上行リンク遅延の制限を受ける宇宙望遠鏡を含め、応答遅延を低減するための統合型通信プラットフォームを導入する。
• 機関およびミッション間の連携を円滑にするためのデータ共有および共同観測計画のプロトコルを確立する。
• 歴史的マルチメッセンジャーケース（SN 1987A、GW170817 など）をベンチマークとして、能力要件を定義し、現在のカバレッジにおけるギャップを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムで複数のメッセンジャー（電磁的および非電磁的）のアラートを最適化することで、電磁的および非電磁的メッセンジャー間で迅速かつ連携された追跡をどのように実現できるか？
• RQ2 SN 1987A や GW170817 といった過去の出来事で、完全な特徴付けが得られなかった現在のマルチメッセンジャーカバレッジにおける主な観測ギャップは何か？
• RQ3 マルチメッセンジャーアストロノミーの複雑性が増す中で、機関間の協力および通信プラットフォームをどのように改善できるか？
• RQ4 高頻度で広視野をカバーするスキャンと、迅速応答型望遠鏡が、マルチメッセンジャートランスジェントの科学的利得を最大化するために果たす役割は何か？
• RQ5 MeVニュートリノ、TeV-PeVニュートリノ、および超高エネルギー宇宙線の検出を、重力波および電磁波観測とどのようにより良く同期できるか？

主な発見

• SN 1987A からの MeV ニュートリノの検出および GW170817 と GRB 170817A の同時観測により、中性子星合体と短時間ガンマ線バーストの関連性が確認され、コアコラプスおよびコンact対象合体モデルが妥当性を確認された。
• これらの成功にもかかわらず、SN 1987A では、感度が高く迅速応答可能なカバレッジが不足していたため、衝撃波ブレークや MeV ガンマ線放射が見逃された。これは、早期警戒システムの必要性を強調する。
• 現在の重力波およびニュートリノ検出システムは、実際の出来事に対して数十年に一度程度の頻度でのトリガーにとどまっている。これにより、感度の向上およびリアルタイムアラート配信体制の強化の必要性が浮き彫りになった。
• 電波からX線に至る多波長電磁カバレッジの統合が、GW170817 の光学的対応体 AT2017gfo の特徴付けに不可欠であり、キリノバ発光および r-過程核合成の証明に貢献した。
• NASA と NSF のミッション間の連携の改善が極めて重要であり、現在の資金調達および計画構造では、マルチメッセンジャーサイエンスの要求を十分に満たしていない。
• すべてのメッセンジャーおよび全電磁スペクトルをカバーする観測施設のバランスの取れたポートフォリオが、マルチメッセンジャーアストロノミーの科学的潜在能力を最大限に引き出すために不可欠である。