[论文解读] Fermi-LAT observations of the LIGO/Virgo event GW170817

LAT Collaboration|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 5

一句话总结

本文报告了费米-LAT对引力波事件GW170817及其相关短伽马射线暴GRB 170817A的观测，重点研究了分钟至数天时间尺度上的高能（E > 100 MeV）辐射。尽管由于南大西洋异常区经过，LAT错失了瞬时爆发阶段，但其在t_GW + 1153 s至t_GW + 2027 s期间设定了95%置信度的通量上限，为4.5 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹，对应光度上限为9.7 × 10⁴³ erg s⁻¹，比GRB 090510低5个数量级，表明其高能辐射成分显著较暗。

ABSTRACT

We present the Fermi Large Area Telescope (LAT) observations of the binary neutron star merger event GW170817 and the associated short gamma-ray burst (SGRB) GRB\,170817A detected by the Fermi Gamma-ray Burst Monitor. The LAT was entering the South Atlantic Anomaly at the time of the LIGO/Virgo trigger ($t_{ m GW}$) and therefore cannot place constraints on the existence of high-energy (E $>$ 100 MeV) emission associated with the moment of binary coalescence. We focus instead on constraining high-energy emission on longer timescales. No candidate electromagnetic counterpart was detected by the LAT on timescales of minutes, hours, or days after the LIGO/Virgo detection. The resulting flux upper bound (at 95\% C.L.\/) from the LAT is $4.5 imes$10$^{-10}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$ in the 0.1--1 GeV range covering a period from T0 + 1153 s to T0 + 2027 s. At the distance of GRB\,170817A, this flux upper bound corresponds to a luminosity upper bound of 9.7$ imes10^{43}$ erg s$^{-1}$, which is 5 orders of magnitude less luminous than the only other LAT SGRB with known redshift, GRB\,090510. We also discuss the prospects for LAT detection of electromagnetic counterparts to future gravitational wave events from Advanced LIGO/Virgo in the context of GW170817/GRB\,170817A.

研究动机与目标

• 约束双中子星并合事件GW170817相关的高能（E > 100 MeV）电磁辐射，该事件发生于LAT数据间隙期间，因南大西洋异常区影响。
• 评估费米-LAT在未来引力波事件中探测高能辐射的能力，特别是在短伽马射线暴背景下的表现。
• 将GRB 170817A的高能光度与其它LAT探测的短伽马射线暴（如GRB 090510）进行比较，以推断其本征辐射特性。
• 评估在当前及潜在改进的观测策略下，LAT探测未来引力波与伽马射线暴联合事件的概率。

提出的方法

• 对费米-LAT数据在GW170817触发后1153–2027秒区间内进行了分析，此期间LAT处于工作状态并持续收集科学数据。
• 在NGC 4993（GRB 170817A宿主星系）位置对0.1–1 GeV能量范围内的瞬时高能辐射进行了盲搜寻。
• 采用标准统计方法，基于仪器响应函数，对非探测结果计算了95%置信度的通量上限。
• 通过将通量上限转换至42.5 Mpc的距离，推导出光度上限。
• 通过将GRB 170817A的通量和辐射光变曲线与以往探测到的LAT短伽马射线暴进行比较，评估了LAT对SGRB的探测灵敏度。
• 基于仪器指向策略、触发延迟时间和探测效率，估算未来GW/SGRB事件的探测概率，并通过模拟假设喷流为轴向和非轴向模型，评估灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GW触发后1153–2027秒区间内，GRB 170817A的高能（E > 100 MeV）通量上限是多少？
• RQ2 GRB 170817A的高能光度与其它LAT探测的短伽马射线暴（如GRB 090510）相比如何？
• RQ3 如果费米-LAT在GW触发时刻正在观测，其探测到GRB 170817A高能辐射的概率是多少？
• RQ4 若卫星能自动机动追踪GBM触发的SGRB，将如何提升LAT探测联合GW/EM事件的概率？
• RQ5 在当前LAT观测约束条件下，未来双中子星并合事件中探测高能辐射的前景如何？

主要发现

• 费米-LAT在GW170817触发后1153–2027秒区间内未探测到GRB 170817A的任何高能辐射，0.1–1 GeV能量范围内95%置信度通量上限为4.5 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹。
• 该通量上限对应于42.5 Mpc距离处的光度上限为9.7 × 10⁴³ erg s⁻¹，比已知红移的唯一其它LAT探测SGRB GRB 090510低5个数量级。
• 在整个9年费米任务期间，未在宿主星系NGC 4993方向探测到显著的高能信号，0.1–100 GeV能量范围内光度上限为2.9 × 10⁴¹ erg s⁻¹。
• 基于与以往探测到的SGRB的比较，若LAT能在GBM触发后约100秒内开始观测，则有较高概率探测到GRB 170817A的高能辐射。
• 在当前观测策略下，LAT约23%的SGRB能在触发后100秒内被观测到，每年探测到联合GW/SGRB事件的概率约为5%。
• 若实现对GBM触发SGRB的自动卫星机动，可使100秒内可观测的SGRB比例提高至至少35%，使年探测概率提升至7%（若每年发生两次事件，则可达13%）。