[论文解读] Is the GW150914-GBM really associated with the GW150914?

S. L. Xiong|arXiv (Cornell University)|May 18, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用 15

一句话总结

本研究重新分析了费米/GBM的数据，以探究GW150914-GBM的伽马射线余晖是否真正与LIGO的GW150914引力波事件相关。通过基于探测器视场角的分析，发现该余晖主要由视场角不佳的探测器主导，而视场角良好的探测器在背景之外未显示出显著信号——因此得出结论：GW150914-GBM与GW150914在物理上极不可能相关，意味着GBM未探测到任何电磁对应体。

ABSTRACT

Finding the electromagnetic (EM) counterpart is critically important for a gravitational wave event. Although many efforts have been made to search for the purported EM counterpart of GW150914, the first gravitational wave event detected by LIGO, only Fermi/GBM reported an excess above background (i.e. GW150914-GBM) at 0.4 s after the LIGO trigger time, that is possibly associated with this GW event (Connaughton et al. 2016). However, since there is no significant detection by the INTEGRAL/SPI-ACS around the time of GW150914-GBM, a great debate has been raised about whether GW150914-GBM is of astrophysical origin and associated with the GW150914 (Savchenko et al. 2016). In order to answer this question, we re-analyzed the GBM data with a straightforward but sophisticated method. We find that the excess of GW150914-GBM mostly comes from those detectors with bad viewing angles to the GW event, whereas the good viewing detectors see nothing significant beyond background fluctuation around the trigger time of GW150914. This finding suggests that GW150914-GBM is very unlikely associated with the GW150914. Given that GW150914-GBM is the only event found by GBM that is possibly associated with this GW event in a comprehensive search, we conclude that GBM did not detect any electromagnetic radiation from the GW150914.

研究动机与目标

• 解决关于GW150914-GBM伽马射线余晖是否与LIGO的GW150914引力波事件存在天体物理关联的争议。
• 通过检查GBM仪器阵列中各探测器的响应特性和信号分布，检验GW150914-GBM检测结果的有效性。
• 确定观测到的余晖是否与局域天体瞬变源（如短伽马射线暴）的预期辐射模式一致。
• 评估GBM是否探测到了GW150914的电磁对应体，鉴于存在相互矛盾的报告以及INTEGRAL/SPI-ACS等其他仪器的非探测结果。

提出的方法

• 采用探测器特定的方法重新分析费米/GBM光 light curves，根据探测器对LIGO定位区域的角响应，将数据划分为‘视场良好’和‘视场不佳’的探测器。
• 将GW150914-GBM在探测器间的信号分布，与三颗联合探测的伽马暴（GRB140716A、GRB140817A、GRB150607A）的分布进行比较，这些伽马暴的入射角与GW150914相近。
• 计算视场良好探测器与视场不佳探测器所探测到的光子数之比，以评估其与预期辐射模式的一致性。
• 使用背景拟合技术隔离过量信号并评估显著性，重点关注触发后0.4秒窗口。
• 评估误报率和背景涨落的可能性，与Connaughton等人（2016）及Savchenko等人（2016）的结果进行比较。
• 利用公开的费米/GBM数据和软件，采用一种优先考虑几何一致性而非加权光曲线分析的方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW150914-GBM的余晖是否与局域天体瞬变源（如短伽马射线暴）一致？
• RQ2 GBM探测器间的信号分布是否与来自LIGO定位区域源的预期模式相符？
• RQ3 视场良好的探测器（对GW150914方向具有高灵敏度）是否显示出显著超出背景的余晖？
• RQ4 观测到的信号是否可能是局部粒子事件或仪器背景涨落所致，而非天体物理辐射？
• RQ5 INTEGRAL/SPI-ACS未检测到信号，是否支持GW150914-GBM与GW150914无关的结论？

主要发现

• GW150914-GBM的余晖主要出现在对LIGO定位区域视场角较差（大于60°）的探测器中，这些区域灵敏度较低。
• 视场良好的探测器（NaI 2、NaI 4、NaI 5、BGO 0）本应最敏感于LIGO区域的源，但未显示出显著超出背景的余晖。
• 探测器间的信号分布与具有相似入射角的已知伽马暴不一致，后者通常在视场良好的探测器中表现出强烈且一致的信号。
• GW150914-GBM的视场良好探测器与视场不佳探测器的光子数之比，与局域化良好的伽马暴的预期值不一致，后者比值通常为~1.4–11.2，具体取决于几何构型。
• 鉴于GW150914-GBM是GBM唯一发现的候选电磁对应体，且现已被认为极不可能是天体物理起源，本研究得出结论：费米/GBM未探测到GW150914的任何电磁对应体。
• 研究结果支持GW150914事件（涉及双黑洞并合）很可能未产生可探测的电磁辐射，与理论预测一致。