[论文解读] Opportunities for Multimessenger Astronomy in the 2020s

Eric Burns, A. Tohuvavohu+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 17被引用 9

一句话总结

本白皮书概述了在2020年代通过整合引力波、中微子、宇宙射线和电磁辐射，多信使天文学的变革潜力。它倡导建立协调的实时探测网络并改善机构间沟通，以实现常规化的多信使后续观测，从而在天体物理学和基础物理领域最大化科学发现。

ABSTRACT

Electromagnetic observations of the sky have been the basis for our study of the Universe for millennia, cosmic ray studies are now entering their second century, the first neutrinos from an astrophysical source were identified three decades ago, and gravitational waves were directly detected only four years ago. Detections of these messengers are now common. Astrophysics will undergo a revolution in the 2020s as multimessenger detections become routine. The 8th Astro2020 Thematic Area is Multimessenger Astronomy and Astrophysics, which includes the identification of the sources of gravitational waves, astrophysical and cosmogenic neutrinos, cosmic rays, and gamma-rays, and the coordinated multimessenger and multiwavelength follow-ups. Identifying and characterizing multimessenger sources enables science throughout and beyond astrophysics. Success in the multimessenger era requires: (i) sensitive coverage of the non-electromagnetic messengers, (ii) full coverage of the electromagnetic spectrum, with either fast-response observations or broad and deep high-cadence surveys, and (iii) improved collaboration, communication, and notification platforms.

研究动机与目标

• 倡导将协调的多信使方法作为21世纪天文学的基石，用于天体源的探测。
• 识别实现多信使暂现源快速联合后续观测所必需的关键基础设施和通信平台。
• 通过改进早期预警和响应系统，解决过去事件（如SN 1987A和GW170817）的局限性。
• 建议NASA、NSF及国际机构之间加强合作，以协调目标和资金，支持多信使任务。
• 确保在整个电磁和非电磁波谱范围内实现全覆盖，以最大化暂现事件的科学回报。

提出的方法

• 利用从射电波段到TeV伽马射线波段的电磁波谱中现有的和即将投入运行的天文台，实现全波段、高时间分辨率的监测。
• 整合来自引力波（LIGO/Virgo）、中微子（IceCube、Super-K）和高能伽马射线（Fermi、HAWC）探测器的实时警报数据流。
• 将超新星早期预警系统（SNEWS）作为协调中微子-引力波-电磁警报的范例，实现对核心坍缩超新星的早期探测。
• 开发统一的通信平台，以减少响应延迟，特别是针对受上行链路延迟限制的空间天文台。
• 建立跨任务协调协议，以简化机构和任务之间的数据共享与联合观测规划。
• 以历史多信使事件（如SN 1987A、GW170817等）为基准，定义能力需求并识别当前覆盖范围中的缺口。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化实时多信使警报，以实现在电磁和非电磁信使之间的快速协调后续观测？
• RQ2 当前多信使覆盖中存在哪些关键观测空白，导致无法对SN 1987A和GW170817等历史事件进行完整表征？
• RQ3 如何改进机构间合作与通信平台，以应对多信使天文学日益增长的复杂性？
• RQ4 高时间分辨率、大视场巡天与快速响应望远镜在最大化多信使暂现源科学产出方面发挥什么作用？
• RQ5 如何更好地将MeV中微子、TeV-PeV中微子和超高能宇宙射线的探测与引力波和电磁观测同步？

主要发现

• 从SN 1987A探测到MeV中微子，以及同时观测到GW170817与GRB 170817A，证实了中子星并合与短伽马射线暴之间的关联，验证了核心坍缩和致密天体并合模型。
• 尽管取得这些成功，由于缺乏灵敏且快速响应的覆盖，SN 1987A的激波爆发和MeV伽马射线发射被错过，凸显了建立早期预警系统的重要性。
• 当前的引力波和中微子探测系统仅在每数十年才触发一次真实事件，表明需要提升灵敏度并实现实时警报分发。
• 多波段电磁覆盖（从射电波段到X射线波段）对于表征AT2017gfo——GW170817的光学对应体——至关重要，揭示了千新星辐射和r-过程核合成。
• NASA与NSF任务之间的协调改进至关重要，因为当前的资金和规划结构尚不足以完全支持多信使科学的需求。
• 涵盖所有信使和全电磁波谱的天文台平衡组合，是释放多信使天体物理学全部科学潜力的关键。