[论文解读] Astro 2020 Science White Paper: Joint Gravitational Wave and Electromagnetic Astronomy with LIGO and LSST in the 2020's

P. S. Cowperthwaite, Hsin-Yu Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用 4

一句话总结

本白皮书主张为LSST分配专用观测时间，用于跟进LIGO及其他探测器发出的引力波（GW）触发事件，从而实现对双中子星及黑洞-中子星并合事件电磁（EM）对应体的快速识别。通过将LSST的观测时间表与2020年代引力波探测器灵敏度的提升相协调，作者证明该方法将产生大量具有统计意义的GW-EM联合事件样本，这对约束中子星物态方程和检验广义相对论至关重要。

ABSTRACT

The blossoming field of joint gravitational wave and electromagnetic (GW-EM) astronomy is one of the most promising in astronomy. The first, and only, joint GW-EM event GW170817 provided remarkable science returns that still continue to this day. Continued growth in this field requires increasing the sample size of joint GW-EM detections. In this white paper, we outline the case for using some percentage of LSST survey time for dedicated target-of-opportunity follow up of GW triggers in order to efficiently and rapidly identify optical counterparts. We show that the timeline for the LSST science survey is well matched to the planned improvements to ground based GW detectors in the next decade. LSST will become particularly crucial in the later half of the 2020s as more and more distant GW sources are detected. Lastly, we highlight some of the key science goals that can be addressed by a large sample of joint GW-EM detections.

研究动机与目标

• 主张为LSST分配专用观测时间，用于跟进LIGO及其他地面探测器发出的引力波触发事件。
• 实现对引力波事件光学对应体的探测，特别是针对遥远的双中子星和黑洞-中子星并合事件。
• 建立具有统计显著性的GW-EM联合探测样本，以支持深入的天体物理研究。
• 通过结合引力波与电磁波数据，改进对中子星物态方程及最大中子星质量的约束。
• 支持快速响应数据中介系统与多波段协调机制的发展，以实现最优科学产出。

提出的方法

• 利用LSST的宽视场（9.6 deg²）、深度（30秒内g星等达~25 mag）及观测巡天周期，对引力波触发事件实施快速、系统的跟进观测。
• 利用LSST的观测时间表与LIGO及其他引力波探测器计划中的灵敏度升级相重叠，以最大化探测效率。
• 实施目标机会（ToO）跟进策略，优先处理引力波警报，以实现对光学暂现源的快速探测。
• 将LSST数据与其他设施（包括极大望远镜ELTs和空间天文台）集成，实现多波段覆盖。
• 开发并部署专为引力波触发的LSST观测优化的数据中介系统，以实现快速响应与源定位。
• 基于引力波探测器灵敏度的演变及LSST巡天参数，模拟预期的联合探测数量及对中子星特性的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何最优地安排LSST观测，以最大化探测双中子星及黑洞-中子星并合事件的电磁对应体？
• RQ2 在LIGO及其他引力波探测器灵敏度预期演化的背景下，2020年代期间预期能获得多少次联合GW-EM探测？
• RQ3 大规模联合探测样本将如何改进对中子星物态方程及最大中子星质量的约束？
• RQ4 LSST在探测与致密双星并合相关的千新星和伽马射电暴余晖方面发挥何种作用？
• RQ5 多台望远镜间的协同跟进如何提升联合GW-EM事件的科学产出？

主要发现

• LSST的观测时间表与LIGO及其他引力波探测器计划中的灵敏度提升高度契合，使2020年代能够高效开展联合探测任务。
• 随着引力波探测器灵敏度的提升，双中子星（BNS）探测距离将扩展至约400 Mpc，五站点全球网络可显著增加可探测事件数量。
• LSST的宽视场与深度使其能在引力波触发后数分钟内高效覆盖大范围天区（数十平方度），这对探测暗淡且快速衰减的光学对应体至关重要。
• 大规模的GW-EM联合探测样本将能对中子星物态方程实现精确约束，包括对最大中子星质量（M_TOV）的上限限制。
• 对黑洞-中子星（BH-NS）并合事件的电磁波跟进，可为中子星半径提供独立约束，并检验广义相对论预测的黑洞事件视界特性。
• 与LSST及其他设施的快速、协同跟进，对探测稀有或暗淡的电磁对应体、推动多信使天体物理学新发现至关重要。