LIGOとVirgoの重力波検出器で測定されたGW170817信号。Virgoのデータでは信号は見えない。 | |
| イベントタイプ | 重力波 |
|---|---|
| 日付 | 約1億3000万年前 (2017年8月17日 12:41:04.4 UTCに検出) |
| 間隔 | 約1分40秒 |
| 楽器 | LIGO、乙女座 |
| 赤経 | 13時間9分48.08秒[1] |
| 偏角 | −23° 22′ 53.3″ [1] |
| エポック | J2000.0 |
| 距離 | 約1億3000万光年 |
| 赤方偏移 | 0.0099 |
| ホスト | NGC 4993 |
| 先祖 | 中性子星2個 |
| その他の指定 | GW170817 |
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GW170817は、2017年8月17日にLIGOとVirgo検出器によって観測された重力波(GW)信号であり、約1億4000万光年離れた殻楕円銀河NGC 4993から発生しました。この信号は、中性子星の連星ペアの螺旋過程の最後の瞬間に生成され、それらの合体で終わりました。これは、電磁気観測と相関した最初の重力波検出でした。[1] [2]以前の5回の重力波検出(合体するブラックホールのものであり、したがって検出可能な電磁信号があるとは予想されていなかった)とは異なり、この合体の余波は7大陸と宇宙の70の観測所で電磁スペクトル全体で観測され、マルチメッセンジャー天文学にとって大きな進歩となりました。[1] [2] [4] [5] [6] [7] [8] [9] GW170817の発見とその後の観測は、サイエンス誌から2017年のブレークスルー賞を受賞した。[6] [10]
GW170817と名付けられた重力波信号は、約100秒間の可聴継続時間を持ち、2つの中性子星の合体で予想される特徴的な強度と周波数を示した。3か所の検出器(LIGO 2か所とVirgo 1か所)での重力波の到着時間のわずかな変化を分析することで、発生源のおおよその角度方向が得られた。これとは別に、重力波合体信号の1.7秒後にフェルミ宇宙船とインテグラル宇宙船によって、 GRB 170817Aと名付けられた約2秒の短いガンマ線バースト(sGRB)が検出されました。 [1] [5] [11]これらの検出器の方向感度は非常に限られていますが、重力波の位置と重なる空の広い領域を示しました。この同時発生は、sGRBが中性子星の合体によって引き起こされるという長年の仮説を裏付けました。
集中的な観測キャンペーンが優先され、重力波検出によって示された領域をスキャンして、光学波長での予想される放射を探しました。この探索中、信号の11時間後、後にキロノバAT 2017gfoと命名された天文トランジェント SSS 17aが銀河NGC 4993で観測されました。[8]これは、その後数日から数週間にわたって、電波からX線波長まで多数の望遠鏡によって撮影され、中性子星の合体から放出された破片に予想されるように、中性子に富んだ物質の高速で移動し、急速に冷却する雲であることがわかりました。
2018年10月、天文学者は、振り返ってみると、2015年に検出されたsGRBイベント(GRB 150101B)は、GW170817で報告されたのと同じ天体物理学の以前の事例を表している可能性があると報告しました。ガンマ線、可視光線、X線の放出、および関連するホスト銀河の性質に関する2つのイベントの類似性は「顕著」であると考えられ、以前のイベントも中性子星の合体の結果である可能性があり、これらを合わせると、これまで知られていなかった種類のキロノバトランジェントを意味し、キロノバがこれまで考えられていたよりも宇宙でより多様で一般的なものになる可能性があることを示唆しています。[12] [13] [14] [15]その後の研究では、 GW170817より前の別のsGRBであるGRB 160821Bも、 AT 2017gfoの特徴との類似性に基づいてキロノバであると解釈されました。[16]
発表
宇宙からの使者である重力波と電磁波の両方で、天体物理学的な大変動が観測されたのは初めてのことだ。[17]
ライツェ D、LIGO エグゼクティブディレクター
この観測結果は2017年10月16日にワシントンD.C.のナショナル・プレス・クラブとドイツのミュンヘン近郊ガルヒングにあるESO本部で行われた記者会見で正式に発表された。[5] [11] [8]
公式発表前には、テキサス大学オースティン校の天文学者J・クレイグ・ウィーラーが2017年8月18日に「新しいLIGO。光学対応のソース。びっくりだ!」とツイートしたことから、いくつかの情報がリークされていた。[7]ウィーラーは後にツイートを削除し、公式発表の手順をスクープしたことを謝罪した。他の人々もこの噂を追跡し、いくつかの主要な望遠鏡の公開ログに、うみへび座にある40 メガパーセク(1億3000 万光年)離れた銀河NGC 4993を観測するための優先中断が記載されていると報告した。[9] [18]共同研究チームは、以前に複数のトリガーが分析中であるという発表に加えて、この噂についてコメントすることを拒否していた。[19] [20]
重力波検出
重力波信号は、24ヘルツの周波数から始まり、約 100 秒間続きました 。約 3,000 サイクルをカバーし、典型的なインスパイラルチャープパターンで振幅と周波数が数百ヘルツまで増加し、12:41:04.4 UTCに受信された衝突で終了しました 。[2] : 2 最初にイタリアのVirgo 検出器に到達し、次に 22 ミリ秒後に米国ルイジアナ州のLIGO-Livingston 検出器に到達し、さらに 3 ミリ秒後に米国ワシントン州の LIGO-Hanford 検出器に到達しました。信号は、ポストニュートン膨張から定義された一般相対性理論の予測と比較することによって検出および分析されました。[1] : 3
LIGO-ハンフォードデータストリームの自動コンピュータ検索により、イベントの約6分後にLIGOチームに警告が発せられました。ガンマ線警告はこの時点ですでに発せられていました(イベントの16秒後)[21] 。そのため、タイミングのほぼ一致は自動的にフラグが付けられました。LIGO/Virgoチームは、イベントの40分後にフォローアップチームの天文学者に予備警告(大まかなガンマ線の位置のみ)を発しました。[22] [23]
この現象の天空位置特定には、3 つの干渉計のデータを組み合わせる必要があったが、2 つの問題によって遅延した。Virgo のデータはデータ伝送の問題によって遅延し、LIGO Livingston のデータは、現象ピークの数秒前に機器のノイズが短時間バーストして汚染され、最低周波数で上昇する過渡信号と平行に続いた。これらを手動で分析して補間し、現象の約 4.5 時間後に天空の位置を発表することができた。[24] [23] 3 回の検出により、発生源は南天の 31 平方度の領域に90% の確率で特定された。より詳細な計算により、位置特定は 28 平方度以内に精緻化された。[22] [2]特に、Virgo 干渉計による明確な検出がなかったことから、発生源は干渉計の死角の 1 つ内に位置していることが示唆され、この制約によって探索領域が大幅に縮小された。[25]
ガンマ線検出

最初に検出された電磁信号は、短いガンマ線バーストであるGRB 170817Aであり、合体後1.74 ± 0.05秒で、約2秒間持続する。 [11] [9] [1] : 5
GRB 170817A はフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡によって発見され、GRB 検出からわずか 14 秒後に自動警告が発せられました。40 分後の LIGO/Virgo サーキュラーの後、INTEGRALガンマ線望遠鏡からのデータの手動処理でも同じ GRB が検出されました。フェルミと INTEGRAL の到着時間の差により、天空の特定が改善されました。
このGRBは、ホスト銀河NGC 4993の近さを考えると比較的暗かったが、これはおそらくそのジェットが地球に直接向けられておらず、むしろ横に約30度の角度で向けられていたためであると考えられる。[8] [26]
電磁フォローアップ



他の天文学者への一連の警報が発令され、まず13:21 UTCにガンマ線検出と単一検出器LIGOトリガーの報告、17:54 UTCに3つの検出器による天空の位置が報告された。[22]これにより、多くの調査用望遠鏡とロボット望遠鏡による大規模な捜索が行われた。予想された大規模な捜索範囲(満月の約150倍)に加えて、この捜索範囲は空の太陽の近くにあり、どの望遠鏡でも日没後数時間しか見えないことから、この捜索は困難を極めた。[23]
合計6つのチーム(1M2H(One-Meter, Two Hemispheres)[27] 、 DLT40、VISTA、Master、DECam、およびラス・クンブレス天文台(チリ))が、90分間隔で同じ新しい源を独立に撮影しました。[1] : 5 衝突に関連する可視光を最初に検出したのは、スウォープ超新星サーベイを実行している1M2Hチームでした。彼らは、チリのラス・カンパナス天文台で近赤外線で稼働している直径1メートル(3.3フィート)のスウォープ望遠鏡で、重力波イベントの10時間52分後に撮影されたNGC 4993の画像でそれを見つけました。 [11] [1] [28]彼らはまた、イベントの12時間26分後に発行された回覧文で、検出をSSS 17aと名付け、それを最初に発表しました。 [27]この新しい天体は後に国際天文学連合(IAU)からAT 2017gfoという正式な名称を与えられました。
1M2Hチームは、重力波観測によって予測される宇宙領域内のすべての銀河を調査し、1つの新しいトランジェントを特定しました。[26] [28]合体のホスト銀河を特定することで、重力波のみに基づく距離と一致する正確な距離を提供することができます。[1] : 5
可視光線と近赤外線の光源の検出により、位置特定が大幅に改善され、不確実性が数度から0.0001度にまで減少しました。これにより、その後数日から数週間にわたって、多くの大型地上望遠鏡と宇宙望遠鏡で光源を追跡することができました。位置特定から数時間以内に、赤外線と可視光線のスペクトル全体で多くの追加観測が行われました。[28]その後数日間、光源が膨張して冷却するにつれて、光源の色が青から赤に変化しました。[26]
多数の可視光および赤外線スペクトルが観測された。初期のスペクトルはほとんど特徴がなかったが、数日後には光速の約10パーセントで放出された物質を示す幅広い特徴が出現した。AT 2017gfoが実際にGW170817の余波であるという強力な証拠が複数ある。色の進化とスペクトルは、既知のどの超新星とも劇的に異なっている。NGC 4993の距離は、GW信号から独立して推定されたものと一致している。GWの空の局在領域では、他の一時的な現象は発見されていない。最後に、さまざまなアーカイブ画像では、AT 2017gfoの位置には何も示されておらず、天の川銀河の前景変光星は除外されている。[27]
この源は、イベントの15.3時間後にスイフトガンマ線バーストミッションによって紫外線(X線ではない)で検出された。[4] [6]当初はX線と電波の検出が不十分だったが、9日後にチャンドラX線観測所を使用してX線で源が検出され[ 29] 、 16日後にニューメキシコ州のカール・G・ジャンスキー超大型干渉電波干渉計(VLA)を使用して電波で源が検出され[30]た。[8]電磁スペクトルをカバーする70以上の観測所が源を観測した。[8]
電波とX線の光は合体後150日でピークに達し、[33] [34]その後減少した。[35]天文学者はハッブル宇宙望遠鏡を使用してGW170817の光学残光を観測した。[36] [37] 2020年3月、合体から940日後にチャンドラ天文台によって5シグマでの継続的なX線放射が観測された。[38]
その他の検出器
アイスキューブとアンタレスニュートリノ観測所、ピエール・オージェ観測所による追跡調査では、発生源と一致するニュートリノは発見されなかった。[ 2 ] [1]ニュートリノが検出されなかった理由としては、この事象が大きなオフアクシス角度で観測され、流出ジェットが地球に向けられていなかったことが考えられる。[39] [40]
天体物理学的起源と成果
GW170817のような二重中性子星系の起源と性質(質量とスピン)は、複雑な連星相互作用の長い一連の結果である。[41]重力波信号は、それが2つの中性子星の衝突によって生成されたことを示している[9] [18] [20] [42]。その総質量は2.82+0.47
−0.09 太陽質量(M ☉)である。[2]ハッブル時間内に合体する連星中性子星で観測されるものと一致して、低スピンを仮定すると、総質量は2.74+0.04
−0.01 M ☉。重力波の総エネルギー出力は ≃63Foe。[43]
祖星の質量はより大きな不確実性を持つ。チャープ質量は直接観測可能なパラメータであり、おおよそ以前の質量の幾何平均に等しいとみなすことができるが、1.188+0.004
−0.002 M ☉。 [44]大きい方の祖先( m 1)は、90%の確率で1.36~2.26 M ☉ で、小さい方(m 2)は90%の確率で0.86と1.36 M ☉。[44]低スピン仮定の下では、範囲は1.36~1.60 M ☉ ( m 1の場合)および半径12km以内では1.17 ~1.36M☉ / m2 [ 45 ] 。
中性子星の合体イベントは、球状に膨張するキロノバを引き起こすと考えられており、[46] [47]短いガンマ線バーストとそれに続く重いr過程原子核の放射性崩壊によって駆動されるより長い光学残光を特徴とする。したがって、GW170817は、中性子星の合体がr過程の実行可能な場所であり、鉄よりも重い元素の同位体の約半分の核合成が起こり得ることを確認した。[8]合計で地球の質量の16,000倍の重元素が生成されたと考えられており、金と白金の2つの元素だけで地球の約10倍の質量が含まれている。[48]
大量の放出物(その多くは形成された直後のブラックホールに飲み込まれたと思われる)が証拠となっていることから、最初は超大質量中性子星が形成されたと考えられていた。当初は、中性子星のスピンダウンによって放出が促進されているという証拠がなかったため(中性子星の寿命が長い場合に起こる)、数ミリ秒以内にブラックホールに崩壊したのではないかと考えられていた。[49]しかし、GW170817の信号尾のより詳細な分析により、後に、中間または残存超大質量マグネターの数秒間のスピンダウンと一致するさらなる特徴の証拠が見つかった。[50]そのエネルギーは、当時のLIGO探索アルゴリズムの推定感度を下回っていた。[51]これは、2023年に統計的に独立した分析方法によって確認され、GRB 170817Aの中心エンジンが明らかになった。[52] 2024年現在[アップデート]、最終的に安定した残骸の正確な性質は不明のままである。[50]
科学的重要性

この現象に対する科学的な関心は非常に大きく、発表当日には数十本の予備論文(および約100本の プレプリント[54] )が発表され、その中にはサイエンス誌に8本のレター[8]、ネイチャー誌に6本のレター、このテーマを扱ったアストロフィジカルジャーナルレターの特別号に32本のレター[55]が含まれていた。関心と努力は世界規模で、マルチメッセンジャー観測を記述した論文[1]は、7大陸すべてと宇宙の70以上の観測所を使用して、900以上の機関の約4,000人の天文学者(世界の天文学コミュニティの約3分の1)によって共著されている。[7] [8]
これは中性子星の合体による最初の観測された現象ではないかもしれない。GRB 130603Bは、短時間のガンマ線バーストの追跡観測に基づいて示唆された最初のキロノバであった。[56]しかし、これはこれまでで最高の観測であり、連星の合体が短時間のガンマ線バーストの原因であるという仮説を確認するためのこれまでで最も強力な証拠となっている。[1] [2]
この出来事は、光速と重力の速度の差にも限界を与えた。最初の光子が重力波のピーク放出から0秒から10秒の間に放出されたと仮定すると、重力波と電磁波の速度の差v GW − v EM は光速の−3×10 −15倍から+7×10 −16倍に制限され、これは以前の推定値より約14桁改善される。[44] [57] [a]
さらに、GW170817は、等価原理(シャピロ遅延測定を通じて)とローレンツ不変性の調査を可能にしました。[2]ローレンツ不変性の可能性のある違反の限界(「重力セクター係数」の値)は、新しい観測によって最大10桁減少しました。[44]
この事象により、一般相対性理論に代わるいくつかの理論も排除された。[58]これには、スカラー-テンソル理論の変種、[59] [60] [61 ] [ 62 ] [63] [64] [ 65] [66]ホラヴァ-リフシッツ重力理論、[62] [67] [63]暗黒物質エミュレーター、[68]および双測度重力理論、[69]が含まれる。さらに、2018年7月に発表された分析では、GW170817を使用して、重力波が一般相対性理論で説明される3+1の曲がった時空を完全に伝播することが示され、より高次の非コンパクトな空間次元への「漏れ」を伴う仮説が排除された。[70]
GW170817のような重力波信号は、ハッブル定数の独立した測定を提供するための標準サイレンとして使用される可能性がある。[71] [72]観測から得られた定数の初期推定値は、70.0+12.0
−8.0 (km/s)/Mpcであり、現在の最良の推定値とほぼ一致している。[71]さらなる研究により、測定値は70.3+5.3
−5.0 (km/s)/Mpc. [73] [74] [75]この種の将来の事象の観測と合わせて、不確実性は5年以内に2%、10年以内に1%に達すると予想されます。[76] [77]
電磁気観測は、中性子星の合体が急速な中性子捕獲(r過程)元素合成に寄与するという理論[28](以前は超新星爆発に関連すると考えられていた)を裏付けるのに役立ち、そのため金やプラチナを含む鉄よりも重いr過程元素[1]の主な発生源となっている。 [48]中性子星合体におけるr過程元素の最初の特定は、GW170817スペクトルの再解析中に得られた。[78]このスペクトルは、中性子星合体中のストロンチウム生成の直接的な証拠を提供した。これはまた、中性子星が中性子過剰物質でできていることの最も直接的な証拠を提供した。それ以来、イットリウム、[79] 、ランタン、セリウムを含むいくつかのr過程元素が噴出物で特定されている。[80]
2017年10月、スティーブン・ホーキングは最後の放送インタビューで、GW170817の全体的な科学的重要性について議論しました。[81] 2018年9月、天文学者は中性子星(NS)と白色矮星(WD)の合体の可能性に関する関連研究を報告しました。これにはNS-NS、NS-WD、WD-WDの合体が含まれます。[82]
参照
注記
- ^ 光速度と重力速度の差に関するこれまでの制約は約±20%であった。[57]
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この数日間の光学スペクトルと近赤外線スペクトルは、この過渡現象が過去10年間の大規模な光学広視野調査で発見された他のどの現象とも異なるという説得力のある議論を提供した。
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90%の信頼水準でR1=11.9+1.4−1.4 km、R2=11.9+1.4−1.4 kmと制約
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τ
s
=を
持つ下降チャープです。
周波数一致によって結合された (H1,L1) スペクトログラムにエッジ検出を適用した後の因果関係のみに基づくと、ガウス等価信頼水準が 3.3 σ を超える、最大 700 Hz までの (H1,L1) スペクトログラムで 3.01 ± 0.2 秒。
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