[论文解读] Perspectives for multi-messenger astronomy with the next generation of gravitational-wave detectors and high-energy satellites

S. Ronchini, M. Branchesi+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 107被引用 69

一句话总结

本文研究了第三代引力波探测器（如爱因斯坦望远镜）与未来高能卫星在多信使天文学中的协同潜力。基于对短伽马射线暴（SGRB）辐射的物理驱动模型，预测在3G探测器网络中，双中子星并合事件的引力波与高能辐射联合探测效率将接近100%，而宽视场X射线监测仪在探测非轴向及低亮度SGRB方面至关重要，有助于实现精确源定位以支持后续观测。

ABSTRACT

The Einstein Telescope (ET) is going to bring a revolution for the future of multimessenger astrophysics. In order to detect the counterparts of binary neutron star (BNS) mergers at high redshift, the high-energy observations will play a crucial role. Here, we explore the perspectives of ET, as a single observatory and in a network of gravitational-wave (GW) detectors, operating in synergy with future γ-ray and X-ray satellites. We predict the high-energy emission of BNS mergers and its detectability in a theoretical framework which is able to reproduce the properties of the current sample of observed short GRBs (SGRBs). We estimate the joint GW and high-energy detection rate for both the prompt and afterglow emissions, testing several combinations of instruments and observational strategies. We find that the vast majority of SGRBs detected in γ-rays have a detectable GW counterpart; the joint detection efficiency approaches 100% considering a network of third-generation GW observatories. The probability of identifying the electromagnetic counterpart of BNS mergers is significantly enhanced if the sky localization provided by GW instruments is observed by wide-field X-ray monitors. We emphasize that the role of the future X-ray observatories will be very crucial for the detection of the fainter emission outside the jet core, which will allow us to explore the population of low-luminosity SGRBs in the nearby Universe, as well as to unveil the nature of the jet structure and the connections with the progenitor properties.

研究动机与目标

• 评估下一代仪器在引力波与高能辐射（伽马射线和X射线）中联合探测双中子星（BNS）并合事件的效率。
• 评估宽视场X射线监测仪在探测微弱、非轴向SGRB辐射以及提升后续观测源定位精度方面的作用。
• 量化联合探测在研究喷流结构、前身体性质及宇宙学参数方面的科学潜力。
• 通过优先考虑天空位置、距离和视线角度，优化未来高能卫星的观测策略以基于引力波触发进行观测。
• 为未来仪器（尤其是宽视场X射线望远镜）制定要求，以实现对低亮度SGRB及高红移对应体的探测。

提出的方法

• 基于天体物理上合理的BNS群体和SGRB辐射模型，构建理论框架，重现观测到的短暴特性。
• 利用具有可变亮度和视线角度依赖性的结构喷流模型，模拟BNS并合产生的高能辐射（瞬时伽马射线和X射线余晖）。
• 通过将爱因斯坦望远镜（ET）模拟的引力波信号与高能卫星的伽马射线和X射线仪器响应函数交叉相关，估算联合探测率。
• 评估不同观测策略下的探测效率：巡天模式与指向观测，以及不同响应时间（tresp）从100秒到1小时不等。
• 建模ET单独及与宇宙探索者（CE）组成的网络中的天空定位性能，利用低时延参数估计结果指导卫星重新指向。
• 评估未来仪器（如THESEUS、Athena WFI和X-IFU）探测和定位X射线余晖的能力，特别是非轴向和微弱信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用下一代探测器和卫星时，BNS并合在引力波与高能辐射（伽马射线和X射线）中的预期联合探测率是多少？
• RQ2 宽视场X射线监测仪的引入如何提升对非轴向及低亮度短伽马射线暴的探测能力？
• RQ3 在观测时间有限的前提下，高能卫星应采取何种最优观测策略以最大化联合探测效率？
• RQ4 天空定位精度和响应时间如何影响探测BNS并合X射线余晖的概率？
• RQ5 在高红移处的联合探测在宇宙学参数估计和广义相对论检验方面具有多大潜力？

主要发现

• 当使用爱因斯坦望远镜+宇宙探索者等第三代引力波探测器网络时，BNS并合在引力波与高能辐射中的联合探测效率接近100%。
• 在并合后仅延迟一小时启动X射线监测，与100秒响应时间相比，探测概率会降低10倍或更多。
• 爱因斯坦望远镜单独可将约百分之几的BNS事件定位在∆Ω < 100 deg²范围内，而在与CE组成的网络中，该比例可提升至百分之几十，从而支持有效的卫星后续观测。
• 宽视场X射线监测仪（如Athena WFI）可探测大量因过于非轴向而无法被伽马射线探测到的BNS并合事件，从而实现对低亮度SGRB的研究。
• Athena WFI进行一个月的拼接式观测，可覆盖多达数十个被定位在100 deg²以内的BNS事件，尤其在优先选择有利视线角度和距离的源时效果更佳。
• Athena上的X-IFU仪器将能够探测并表征所有联合探测到的源的X射线余晖，从而支持对喷流结构和前身体性质的详细研究。