[论文解读] THESEUS in the era of Multi-Messenger Astronomy

G. Stratta, L. Amati+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文提出，THESEUS空间任务将在多信使天文学中发挥关键作用，通过其大视场和快速近红外后随观测，探测引力波（GW）事件的X射线和伽马射线对应体，特别是中子星并合事件。凭借其IRT仪器实现的1角秒级定位精度，THESEUS使对千新星、中子星方程状态以及重元素合成的精确多信使研究成为可能，显著提升2030年代第三代探测器时代的联合GW-EM-中微子科学。

ABSTRACT

The recent discovery of the electromagnetic counterpart of the gravitational wave source GW170817 has demonstrated the huge informative power of multi-messenger observations. Late '20s and early '30s will be a mature era for multi-messenger astronomy. Consolidated network of second generation gravitational wave detectors, such as Advanced LIGO and Advanced Virgo, KAGRA and LIGO-India, will be further powered by the contribution from third generation interferometers such as Einstein Telescope and/or Cosmic Explorer. Several astrophysical sources detectable in GWs are expected to radiate in the full electromagentic spectrum and to emit high energy neutrinos, thus requiring a robust synergy with ground- and space-based high energy detectors (e.g. CTA, THESEUS, ATHENA), sensitive neutrino detectors (e.g. KM3Net, IceCube-Gen2) and large size optical facilities (e.g. E-ELT). In this report we review the fundamental role of THESEUS in this exciting context.

研究动机与目标

• 评估THESEUS任务在多信使天文学时代的作用，特别是探测引力波源电磁对应体的能力。
• 评估THESEUS的大视场和快速响应能力如何提升对千新星和中子星并合X射线余晖等瞬变源的探测与定位能力。
• 展示THESEUS与未来第二代和第三代引力波探测器（如Einstein Telescope、Cosmic Explorer）、高能望远镜（如CTA）以及中微子观测站（如KM3Net、IceCube-Gen2）之间的协同效应。
• 量化联合GW-EM观测的科学回报，包括对中子星方程状态、喷流几何结构以及致密双星并合中重元素生成的约束。
• 表明在第三代引力波探测器下，THESEUS可每年探测多达数百起来自NS-NS并合的联合GW-EM事件，从而实现对千新星辐射和X射线余晖的统计研究。

提出的方法

• THESEUS采用大视场X射线和伽马射线成像仪（SXI），覆盖约110×30 deg²，用于探测来自GW事件的瞬态高能信号。
• X射线/伽马射线仪器（XGIS）提供约5角分的定位精度，而红外望远镜（IRT）可实现对千新星对应体的亚角分级定位，最低达1角秒。
• 该任务可对高能触发信号实现快速自主后随观测，IRT具备在轨光谱分析或为地面望远镜提供精确源坐标的能力。
• 研究使用模拟的GW天区图（例如，来自LIGO-Virgo数据）和理论光变曲线（例如，Barnes et al. 2016）来模拟千新星和X射线余晖的可探测性。
• 利用IRT灵敏度曲线（Amati et al. 2017）评估探测阈值，并将其与不同红移（50–200 Mpc）下的理论光度进行比较。
• 分析结合了NS-NS并合的预测事件率（每年6–12起）以及第三代引力波探测器的扩展探测范围（X射线辐射探测距离可达约10倍），预测联合探测率可达每年数百起。

实验结果

研究问题

• RQ1 THESEUS能否以足够精度探测并定位中子星并合事件的X射线和红外对应体，从而支持联合GW-EM研究？
• RQ2 在THESEUS与第三代引力波探测器结合的情况下，NS-NS并合产生的千新星和X射线余晖信号的预期探测率是多少？
• RQ3 THESEUS将如何通过联合X射线与GW观测来约束中子星方程状态？
• RQ4 在轨IRT光谱分析或地面后随观测在多大程度上可为千新星源提供红移和化学成分数据？
• RQ5 当Einstein Telescope等第三代探测器作为单个探测器运行时，THESEUS的定位精度与仅依赖GW的网络相比如何？

主要发现

• THESEUS的SXI仪器覆盖约110×30 deg²，可探测大部分GW误差区域，即使在仅由Advanced LIGO等双探测器网络产生的误差区中亦然。
• XGIS仪器对GW对应体的定位精度约为5角分，而IRT对千新星信号的定位精度可达到亚角分级，最低达1角秒。
• 在第三代引力波探测器下，NS-NS并合事件中GW与X射线对应体的联合探测率可能达到每年数百起，具体取决于X射线的本征光度。
• IRT可在300秒曝光下探测到200 Mpc以内的千新星，对明亮源（如0.1 M☉抛射质量以0.3c速度运动）可实现光谱后随观测。
• 对于较暗的千新星（如0.01 M☉以0.1c速度抛射），IRT将下传坐标，以支持地面望远镜进行光谱红移测量。
• THESEUS将通过结合短伽马射线暴红移与GW光度距离估算哈勃常数，实现精确的宇宙学测量，从而减少宇宙学参数约束中的退化问题。