[論文レビュー] Welcome to the Multi-Messenger Era! Lessons from a Neutron Star Merger and the Landscape Ahead

Brian D. Metzger|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 42

ひとこと要約

本稿は、二重中性子星合体イベントGW170817の電磁的対応を合成することで、キロノーバおよび短時間ガンマ線バーストの理論的モデルを検証する。光学／赤外線の瞬時的変光はr過程駆動のキロノーバの予測と一致し、遅延するX線および電波放射は非軸対称相対論的ジェットの存在を支持する。これにより、二重中性星合体が短時間ガンマ線バーストの起源であることが確立され、多メッセンジャー観測データを用いた中性星状態方程式の制約が可能になる。

ABSTRACT

The discovery by Advanced LIGO/Virgo of gravitational waves from the binary neutron star (NS) merger GW170817, and subsequently by astronomers of transient counterparts across the electromagnetic (EM) spectrum, has initiated the era of multi-messenger astronomy. Given the slew of papers appearing on this event, I thought it useful to summarize the EM discoveries in the context of theoretical models and present my views on the major take-away lessons from this watershed event. The weak GRB discovered in close time coincidence with GW170817, and potential evidence for a more powerful off-axis relativistic jet (initially beamed away from our line of sight) from the delayed rise of a non-thermal X-ray and radio orphan afterglow, provides the most compelling evidence yet that cosmological short GRBs originate from binary NS mergers. The luminosity and colors of the early optical emission discovered within a day of the merger agrees strikingly well with original predictions (Metzger et al. 2010) for "kilonova" emission powered by the radioactive decay of r-process nuclei, the NS merger origin of which was initially proposed by Lattimer & Schramm 1974. The transition of the spectral energy distribution to NIR wavelengths on timescales of days matches predictions by Barnes & Kasen 2013 and Tanaka & Hotokezaka 2013 if a portion of the ejecta contains heavy r-process nuclei with higher opacities. The "blue" and "red" ejecta components may possess distinct origins (e.g. dynamical ejecta versus accretion disk outflows), with key implications for the merger physics and the properties of neutron stars. I outline the diversity in the EM emission expected from additional mergers-observed with different binary masses and viewing angles-discovered once LIGO/Virgo reach design sensitivity and NS mergers are discovered as frequently as once per week.

研究の動機と目的

• GW170817の電磁観測を、キロノーバおよび短時間ガンマ線バーストの理論的モデルの文脈で合成すること。
• 中性星合体におけるr過程核合成および放射の長年の理論的予測を検証すること。
• 多メッセンジャー観測データを用いて、中性星の状態方程式、最大質量、およびハッブル定数に関する天体物理学的制約を抽出すること。
• 設計感度での今後の検出を想定した多メッセンジャー天文学の将来の展望を提示すること。
• キロノーバおよびジェット後の光の役割が、中性星の性質と宇宙論的パラメータをどのように探査できるかを評価すること。

提案手法

• r過程核の放射性崩壊によって駆動される理論的キロノーバモデルと、GW170817の光学／赤外線対応の観測された全波長輝度曲線および色の時間的変化を比較する。
• 観測された輝度およびスペクトル的変化を用いて、噴出物の質量、速度、組成を推定し、特にランタニド不含有（青色）およびランタニド豊富（赤色）成分の区別を行う。
• 遅延する非熱的X線および電波後の光を分析し、非軸対称相対論的ジェットの存在を推論する。これは短時間ガンマ線バーストモデルと整合的である。
• アドバンストLIGO/Virgoからの重力波データを用いて、二重系の全質量を制約し、残渣の安定性および最大質量を推定する。
• 宿主銀河からの赤方偏移とGW信号からの輝度距離を組み合わせることで、ハッブル定数を独立に測定する。
• 今後のGW＋電磁気観測が、ダークエネルギーなどの宇宙論的パラメータを制約する可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW170817の観測された光学および赤外線輝度曲線は、r過程の放射性崩壊によって駆動されるキロノーバ放射の理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ2 GW170817に非軸対称相対論的ジェットが存在することを示す証拠は何か？ これは短時間ガンマ線バーストの起源にどのように関連するか？
• RQ3 観測された噴出物の組成および構造は、中性星の状態方程式および中性星の半径をどの程度制約できるか？
• RQ4 二重中性星合体からの重力波および電磁気データの組み合わせは、ハッブル定数の独立した測定を可能にするか？
• RQ5 今後の多メッセンジャー検出が、ダークエネルギーおよび他の宇宙論的パラメータを探査する上でどのような可能性を秘めているか？

主な発見

• GW170817の初期光学および赤外線瞬時的変光は、Metzgerら（2010）のr過程核の放射性崩壊によって駆動されるキロノーバの予測と一致し、約0.01–0.03 M☉の噴出物と整合的である。
• 3–5日目に近赤外波長への遷移は、Barnes & Kasen（2013）およびTanaka & Hotokezaka（2013）が予測したように、高い不透明度を持つランタニド豊富な噴出物の存在によって最もよく説明される。
• 非熱的X線および電波の遅延的上昇は、非軸対称相対論的ジェットの存在を強く示しており、短時間ガンマ線バーストが二重中性星合体に起因するという仮説を支持する。
• 即時の崩壊または超質量中性星残渣の欠如は、ハイパーマス中性星の形成を示唆し、90％信頼水準で最大中性星質量の上限がM_max ≤ 2.17 M☉であると導かれる。
• GW170817の輝度距離と宿主銀河の赤方偏移から導かれたハッブル定数はH₀ = 69.3⁺¹².¹₋₆.₀ km s⁻¹ Mpc⁻¹であり、他の推定値と整合的で、宇宙距離階層に依存しない。
• 今後の設計感度での検出（年間6–120件）により、特に赤方偏移z ≳ 0.4で、重力波＋電磁気観測の統合的観測を伴うハッブル定数および宇宙論的パラメータの制約が次第に厳しくなる。