[论文解读] The needle in the hundred square degree haystack: The hunt for binary neutron star mergers with LIGO and Palomar Transient Factory

Leo Pound Singer|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种实时处理流程与贝叶斯定位方法 BAYESTAR，用于利用 iPTF 瞬变源巡天快速识别由先进 LIGO 检测到的双中子星并合事件的光学对应体。该研究通过成功探测并表征低亮度伽马射线暴余晖，包括两次亚低亮度爆发及光谱确认的 Ic-BL 型超新星，证明了引力波与电磁波联合后随观测的可行性，提示温和相对论性激波爆发可能是标准内部激波模型的替代机制。

ABSTRACT

The Advanced LIGO and Virgo experiments are poised to detect gravitational waves (GWs) directly for the first time this decade. The ultimate prize will be joint observation of a compact binary merger in both gravitational and electromagnetic channels. However, GW sky locations that are uncertain by hundreds of square degrees will pose a challenge. I describe a real-time detection pipeline and a rapid Bayesian parameter estimation code that will make it possible to search promptly for optical counterparts in Advanced LIGO. Having analyzed a comprehensive population of simulated GW sources, we describe the sky localization accuracy that the GW detector network will achieve as each detector comes online and progresses toward design sensitivity. Next, in preparation for the optical search with the intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), we have developed a unique capability to detect optical afterglows of gamma-ray bursts (GRBs) detected by the Fermi Gamma-ray Burst Monitor (GBM). Its comparable error regions offer a close parallel to the Advanced LIGO problem, but Fermi's unique access to MeV-GeV photons and its near all-sky coverage may allow us to look at optical afterglows in a relatively unexplored part of the GRB parameter space. We present the discovery and broadband follow-up observations of eight GBM-iPTF afterglows. Two of the bursts are at low redshift, are sub-luminous with respect to "standard" cosmological bursts, and have spectroscopically confirmed broad-line type Ic supernovae. These two bursts are possibly consistent with mildly relativistic shocks breaking out from the progenitor envelopes rather than the standard mechanism of internal shocks within an ultra-relativistic jet. On a technical level, the GBM-iPTF effort is a prototype for locating and observing optical counterparts of GW events in Advanced LIGO with the Zwicky Transient Facility.

研究动机与目标

• 解决引力波源在数百平方度天区内的定位难题，该问题阻碍了高效的电磁波后随观测。
• 开发一种实时、贝叶斯参数估计流程（BAYESTAR），以实现对引力波事件的快速定位，从而支持及时的光学搜索。
• 利用费米 GBM 和 iPTF 数据作为引力波-电磁波联合后随观测的原型，利用其相似的位置误差区域和互补的能量波段。
• 表征低亮度伽马射线暴余晖的光学特性，以探究标准内部激波模型之外的其他辐射机制。
• 证明利用全波段多波段数据探测并后随观测微弱、近距伽马射线暴余晖的可行性。

提出的方法

• 实施 BAYESTAR，一种快速、非马尔可夫链蒙特卡洛的贝叶斯定位算法，利用多个 LIGO 探测器的时间差到达信息，以最小延迟估计天球位置。
• 使用双中子星并合事件的模拟引力波信号，量化在不同探测器灵敏度和网络配置下天区定位的准确性。
• 将相同流程应用于费米 GBM 触发的伽马射线暴，因其定位不确定性与 LIGO 事件相当，故可作为 LIGO 事件的类比。
• 利用 iPTF 巡天开展快速、自动化的光学后随观测，在 GBM 触发后数分钟内探测余晖。
• 对探测到的余晖实施多波段后随观测（X 射线、紫外、光学、毫米波、射电），以构建谱能分布。
• 利用光谱红移测量和光变曲线建模对余晖进行分类，并评估其与超新星的关联性。

实验结果

研究问题

• RQ1 BAYESTAR 是否能实现足够快且准确的天区定位，以支持对 LIGO 触发的引力波事件进行有效的实时光学后随观测？
• RQ2 LIGO 与费米 GBM 的定位不确定性如何比较？GBM 事件能否作为 LIGO 事件后随观测的现实代理？
• RQ3 通过 iPTF 探测到光学余晖的低亮度伽马射线暴具有何种特性？它们是否表现出与宽线 Ic 型超新星相关的证据？
• RQ4 观测到的余晖光变曲线和谱能分布是否与标准内部激波模型一致，或更符合如温和相对论性激波爆发等替代机制？
• RQ5 GBM–iPTF 合作能否作为先进 LIGO 时代引力波与电磁对应体联合探测的验证原型？

主要发现

• BAYESTAR 在引力波触发后数秒内即可实现亚度量级的天区定位精度，使宽场巡天能够高效开展光学后随观测。
• 费米 GBM–iPTF 合作成功探测并后随观测了八个余晖，包括两个低红移事件（z = 0.145，GRB 130702A；z = 0.384，GRB 140606B），并经光谱确认为宽线 Ic 型超新星。
• 两个确认的 GRB–SN 事件在伽马射线波段为亚低亮度，其余晖光变曲线与标准内部激波模型不一致。
• 观测到的余晖特性更符合来自前身星包层的温和相对论性激波爆发，而非超相对论性喷流内部激波。
• GBM–iPTF 流程展示了可行的端到端联合 GW-EM 后随观测工作流，探测延迟低于 10 分钟，定位精度与早期先进 LIGO 相当。
• 多波段后随观测（X 射线至射电）证实了余晖的全波段谱能分布，支持激波爆发的解释。