[論文レビュー] THESEUS in the era of Multi-Messenger Astronomy

G. Stratta, L. Amati+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、THESEUS宇宙ミッションが、広視野と近赤外線の迅速フォローアップにより、中性子星合体に起因する重力波（GW）イベントのX線およびガンマ線対応物を検出することで、多メッセンジャーアストロノミーにおいて中核的役割を果たすと提案している。IRT機器による1角秒までの局所化精度を活かし、THESEUSは、キロノーバ、中性子星の状態方程式、重元素の合成に関する高精度な多メッセンジャースタディを可能にし、3世代目検出器の時代（2030年代）におけるGW-EMニュートリノ連携科学を顕著に向上させる。

ABSTRACT

The recent discovery of the electromagnetic counterpart of the gravitational wave source GW170817 has demonstrated the huge informative power of multi-messenger observations. Late '20s and early '30s will be a mature era for multi-messenger astronomy. Consolidated network of second generation gravitational wave detectors, such as Advanced LIGO and Advanced Virgo, KAGRA and LIGO-India, will be further powered by the contribution from third generation interferometers such as Einstein Telescope and/or Cosmic Explorer. Several astrophysical sources detectable in GWs are expected to radiate in the full electromagentic spectrum and to emit high energy neutrinos, thus requiring a robust synergy with ground- and space-based high energy detectors (e.g. CTA, THESEUS, ATHENA), sensitive neutrino detectors (e.g. KM3Net, IceCube-Gen2) and large size optical facilities (e.g. E-ELT). In this report we review the fundamental role of THESEUS in this exciting context.

研究の動機と目的

• 重力波源の電磁対応物を検出するという観点から、THESEUSミッションが多メッセンジャーアストロノミー時代における役割を評価すること。
• THESEUSの広視野と迅速応答能力が、キロノーバや中性子星合体に起因するX線後光などの瞬時的天体の検出と局所化をどのように向上させるかを評価すること。
• THESEUSと次世代重力波検出器（例：Einstein Telescope、Cosmic Explorer）、高エネルギー望遠鏡（例：CTA）、ニュートリノ観測所（例：KM3Net、IceCube-Gen2）との相乗効果を示すこと。
• GW-EM連携観測から得られる科学的帰結を定量化すること。具体的には、中性子星の状態方程式、ジェットの幾何構造、および密な二重星合体における重元素生成に関する制約を含む。
• 3世代目重力波検出器と連携した場合、THESEUSが年間数100件のGW-EM連携イベントを中性子星-中性子星合体から検出可能であり、キロノーバ放射およびX線後光の統計的分析を可能にすることを示すこと。

提案手法

• THESEUSは、約110×30 deg²をカバーする広視野X線・ガンマ線イメージャー（SXI）を用い、GWイベントに起因する一時的高エネルギー信号を検出する。
• X線／ガンマ線機器（XGIS）は約5角分の局所化精度を提供するが、赤外線望遠鏡（IRT）はキロノーバ対応物に対して1角秒までのサブ・アームクリンチ（sub-arcminute）局所化を達成する。
• ミッションは、高エネルギートリガーに対して迅速な自律的フォローアップを可能にし、IRTは地上望遠鏡に向けた機器内分光測定または正確な天体座標の提供が可能である。
• 本研究では、LIGO-Virgoデータから得られるシミュレーテッドGWスカイマップと、理論的光曲線（例：Barnes et al. 2016）を用いて、キロノーバおよびX線後光の検出可能性をモデル化している。
• 検出閾値はAmati et al. 2017のIRT感度曲線を用い、赤方偏移範囲（50–200 Mpc）における理論的発光度と比較している。
• 解析には、中性子星-中性子星合体からの予測イベントレート（年間6–12件）と、3世代目重力波検出器による拡大された検出範囲（X線放射に関して最大10倍まで距離が延びる）を組み込み、年間数100件規模の連携検出レートを予測している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THESEUSは、中性子星合体イベントのX線および赤外線対応物を、GW-EM連携研究に十分な精度で検出・局所化できるか？
• RQ2 THESEUSと3世代目重力波検出器を組み合わせた場合、NS-NS合体に起因するキロノーバおよびX線後光信号の予想検出レートはどの程度か？
• RQ3 THESEUSは、X線とGWの連携観測を通じて、中性子星の状態方程式をどの程度まで制約できるか？
• RQ4 機器内IRT分光測定または地上フォローアップによって、キロノーバ源の赤方偏移および元素組成データをどの程度得られるか？
• RQ5 特に、Einstein Telescopeなどの3世代目検出器が単一検出器として稼働する場合、THESEUSの局所化精度はGWのみのネットワークと比べてどの程度優れるか？

主な発見

• THESEUSのSXI機器は約110×30 deg²をカバーし、2検出器ネットワーク（例：Advanced LIGO単独）によるGW誤差領域の大部分をカバーできる。
• XGIS機器は約5角分の精度でGW対応物を局所化するが、IRTはキロノーバ信号に対して1角秒までのサブ・アームクリンチ局所化を達成する。
• 3世代目重力波検出器と連携した場合、NS-NS合体に起因するGWとX線対応物の連携検出レートは、固有のX線発光度に依存して年間数100件に達する可能性がある。
• IRTは300秒露光で200 Mpcまでのキロノーバを検出可能であり、明るい源（例：0.1 M☉の物質が0.3cの速度で放出された場合）に対しては分光的フォローアップが可能である。
• より弱いキロノーバ（例：0.01 M☉が0.1cの速度で放出された場合）に対しても、IRTの座標が地上にダウンリンクされ、地上望遠鏡による赤方偏移測定が可能となる。
• THESEUSは、短時間ガンマ爆発の赤方偏移とGWの距離から得られるハッブル定数の推定値を組み合わせることで、宇宙論的パラメータの不確実性を低減し、高精度な宇宙論的測定を可能にする。