[论文解读] Techniques for targeted Fermi-GBM follow-up of gravitational-wave events

Lindy Blackburn, M. S. Briggs+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种完全自动化的、基于似然比的搜索策略，用于在双中子星或中子星-黑洞并合事件触发引力波信号后，检测费米-GBM数据中的瞬时伽马射线对应体。通过利用引力波信号提供的精确时间和天区定位信息，并结合详细的仪器响应模型，该方法对弱的、未被触发的短伽马射线暴表现出高灵敏度，在离线数据中成功识别出此前未被发现的信号，包括GRB 090305A和120403A。

ABSTRACT

The Advanced LIGO and Advanced Virgo ground-based gravitational-wave detectors are projected to come online 2015-2016, reaching a final sensitivity sufficient to observe dozens of binary neutron star mergers per year by 2018. We present a fully-automated, targeted search strategy for prompt gamma-ray counterparts in offline Fermi-GBM data. The multi-detector method makes use of a detailed model response of the instrument, and benefits from time and sky location information derived from the gravitational-wave signal.

研究动机与目标

• 开发一种完全自动化的、在引力波触发后针对费米-GBM数据中瞬时伽马射线对应体的靶向搜索策略。
• 提高对可能伴随附近双中子星或中子星-黑洞并合事件出现的弱或未被触发的短伽马射线暴（sGRBs）的探测灵敏度。
• 利用引力波探测提供的精确时间和天区定位信息，增强对微弱电磁对应体的探测能力。
• 通过已知的未被GBM星上触发的Swift短伽马射线暴进行验证，证明该方法能够恢复弱信号。
• 实现对紧凑双星并合事件中非束状或各向同性辐射的电磁对应体的敏感后续探测，即使这些信号未被星上触发系统捕获。

提出的方法

• 该方法将基于似然比的分析应用于完整的费米-GBM数据，利用从引力波触发中提取的时间和天区位置信息。
• 通过使用高保真度的响应函数，对GBM中的12个NaI和2个BGO探测器的仪器响应进行建模，以计算在每个天区位置和时间的伽马射线信号似然。
• 搜索在以引力波触发时间为中心、持续时间最长可达100秒的时间窗内执行相干似然比检验，背景水平通过非重叠时间间隔进行估计。
• 通过在所有光谱模型（硬谱、正常谱、软谱）上进行边缘化处理来实现天区定位，以考虑光谱不确定性并提高方法的鲁棒性。
• 该方法引入了一种前向窗口技术，优先处理信噪比高的事件，并通过迭代方式移除重叠候选源，以减少误报。
• 在一组未被GBM星上触发的Swift短伽马射线暴（T90 < 2 s）样本上进行了测试，利用离线数据评估其灵敏度和信号恢复能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过完全自动化的靶向搜索策略，在引力波触发后检测到费米-GBM数据中弱的、未被触发的短伽马射线暴？
• RQ2 基于似然比的分析在恢复被星上GBM触发系统遗漏的短伽马射线暴方面效果如何？
• RQ3 来自引力波信号的精确时间和天区定位在多大程度上提升了对微弱电磁对应体的探测灵敏度？
• RQ4 该方法对来自紧凑双星并合事件的各向同性或弱束状辐射的灵敏度如何，特别是在标准喷流驱动的伽马射线暴不可见时？
• RQ5 仪器效应（如南大西洋异常和背景涨落）对离线GBM数据中弱信号检测的影响如何？

主要发现

• 该方法在离线费米-GBM数据中成功识别出两个此前未被触发的短伽马射线暴——GRB 090305A和GRB 120403A，尽管其光子统计量很低且未被星上触发。
• 对于GRB 090305A和120403A，最佳拟合位置的信噪比达到足以与背景涨落区分开的水平，且置信区域与已知的Swift定位结果一致。
• 全天空边缘化似然比扫描实现了对非高斯异常值具有鲁棒性的背景率分布，在GBM视场内的可观测Swift sGRBs中实现了50%的检测效率。
• 该方法即使在星上触发阈值未被满足的情况下，仍表现出对弱信号的探测灵敏度，凸显其在探测非束状或各向同性辐射组分方面的价值。
• 引入光谱模型边缘化显著提高了天区定位和信号检测的鲁棒性，尤其在低统计量条件下表现更优。
• 该技术非常适合未来引力波-电磁波联合后续观测，尤其适用于大多数预计不会产生明亮、束状sGRBs的NS-NS和NS-BH并合事件。