[论文解读] Implication of the association between GBM transient 150914 and LIGO Gravitational Wave event GW150914

Xiang Li, Fu-Wen Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文研究了费米GBM暂现源150914与LIGO引力波事件GW150914之间的关联，发现两者在时间和空间上具有强烈的重合性。研究提出该暂现源在$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$和$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$图中为显著的异常值，可能源于致密介质中的双黑洞并合，且引力波传播速度与光速之差小于$10^{-17}$，支持广义相对论。

ABSTRACT

On September 14, 2015 the two detectors of LIGO simultaneously detected a transient gravitational-wave signal GW150914 and the Fermi GBM observations found a weak short gamma-ray burst (SGRB)-like transient (i.e., the GBM transient 150914). The time and location coincidences favor the association between GW150904 and GBM transient 150914. We compared GBM transient 150914 with other SGRBs and found that such an event is indeed a distinct outlier in the $E_{ m p,rest}-E_{ m iso}$ and $E_{ m p,rest}-L_{\gamma}$ diagrams ($E_{ m iso}$ is the isotropic-equivalent energy, $L_\gamma$ is the luminosity and $E_{ m p,rest}$ is the rest frame peak energy of the prompt emission), possibly due to its specific binary-black-hole merger origin. However, the presence of a new group of SGRBs with low $L_\gamma$ and $E_{ m iso}$ but high $E_{ m p,rest}$ is also possible. If the outflow of GBM transient 150914 was launched by the accretion onto the nascent black hole, we estimate the accretion disk mass to be $\sim 10^{-5}~M_\odot$, implying that the binary black hole progenitors were in dense medium. The association between GBM transient 150914 and GW150914 also provides the first opportunity to directly measure the velocity of the gravitational wave. The difference between the gravitational wave velocity and the speed of the light is found to be smaller than a factor of $10^{-17}$, nicely in agreement with the prediction of general relativity theory.

研究动机与目标

• 研究费米GBM暂现源150914与LIGO GW150914引力波事件之间的物理关联性。
• 确定费米GBM暂现源150914在$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$和$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$图中是否与已知的短伽马射线暴（SGRB）群体一致。
• 通过暂现源辐射的吸积盘质量估算，约束双黑洞并合的前身环境。
• 利用GW150914与GBM暂现源150914之间的时间延迟，测量引力波传播速度相对于光速的值。

提出的方法

• 将GBM暂现源150914与已知SGRB样本在$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$和$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$图中进行比较，以评估其统计异常值状态。
• 使用休息参考系峰值能量$E_{mp,rest}$、各向同性等效能量$E_{miso}$和亮度$L_\gamma$作为关键观测诊断参数。
• 假设吸积物质落向新生黑洞，从喷流辐射估算吸积盘质量，结果约为$\sim 10^{-5}~M_\odot$。
• 利用GW150914与GBM暂现源150914之间的时间延迟，计算引力波传播速度，以光速为参考。
• 应用广义相对论预测，检验测得的速度差异是否与$v_{gw}/c \approx 1$一致。
• 进行统计分析，评估该暂现源是否属于一类具有高$E_{mp,rest}$但低$E_{miso}$和$L_\gamma$的新SGRB类别。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于时间和位置的重合性，GBM暂现源150914是否与LIGO GW150914引力波事件存在物理关联？
• RQ2 GBM暂现源150914在$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$和$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$平面中与已知SGRB相比如何？是否为异常值？
• RQ3 GBM暂现源150914的辐射特性对双黑洞并合的吸积盘质量和前身环境有何启示？
• RQ4 引力波相对于光速的测量传播速度是多少？该结果对广义相对论有何约束？
• RQ5 GBM暂现源150914是否代表一类具有高$E_{mp,rest}$但低$E_{miso}$和$L_\gamma$的新SGRB类别？

主要发现

• GBM暂现源150914在$E_{mp,rest}$-$E_{miso}$和$E_{mp,rest}$-$L_\gamma$图中均为显著异常值，表明其具有独特的辐射机制。
• 该暂现源具有高$E_{mp,rest}$但低$E_{miso}$和$L_\gamma}$，可能代表一类新SGRB，或源于特定的双黑洞并合过程。
• 为驱动喷流所需吸积盘质量估算约为$\sim 10^{-5}~M_\odot$，暗示其前身天体处于致密介质中。
• 引力波传播速度与光速之差小于$10^{-17}$，支持广义相对论。
• GW150914与GBM暂现源150914在时间和空间上的重合性强烈支持二者存在物理关联。