致密天体并合的引力波-电磁波联合探测率及其理论启示

Gravitational waves (GWs) from the merger of binary neutron stars have been detected, and the associated electromagnetic radiation was also observed after the coalescence time, which means the new period of multi-message observation of GWs have become. In the future, GWs from the supermassive binary black holes will also be detected (e.g. by ET, PTA and LISA). This project will basically concentrate on three aspects about the GWs and the related observations: 1) The effect of the structured jet on the co-detection rate of GWs associate with short gamma-ray bursts (sGRBs). The most important thing is to get the intrinsic LF of sGRBs, where the observation angle should be considered. 2) We will calculate the energy flux of the kilonova from optical to X-ray band, and study the effect of the observation angle on the co-detection of kilonova-GW events based on the detectors. 3）In the framework of the hierarchical formation scenario, we will derive the formation history and the merger history of the galaxies. For different merger histories, the GW backgrounds should be quite different. We will calculate the merger histories for different dark matter models, calculate the GW backgrounds, and try to compare them with the GW detector of PTA to constrain the dark matter mass.

双中子星合并的引力波辐射及其电磁信号的联合观测标志着引力波进入了多波段观测时代。双中子星合并的引力波辐射是高频引力波探测器的主要目标之一，而未来随着低频至中低频引力波探测器的投入使用（例：ET、PTA、LISA等），超大质量黑洞合并的引力波信号也极有可能被探测到。本项目将主要从三个方面讨论研究引力波及其相关观测：1）研究伽玛暴喷流结构对引力波-短暴共同探测率的影响，其中主要考虑短暴喷流的结构性分布对本征光度函数的影响。2）根据现有模型，计算千新星在光学至X射线波段的辐射，结合引力波及电磁波探测器（例如LIGO、EP、DAMPE、eXTP），计算千新星-引力波事件的共同探测率，同时考虑观测角度的影响。3）根据宇宙大尺度结构的分层形成模型，计算不同暗物质模型框架下星系的形成与合并，计算超大质量黑洞合并时的引力波辐射，结合PTA的探测能力，限制暗物质质量。

引力波事件GW170817及其电磁对引体GRB 170817A的共同探测标志着引力波观测多信使观测时代的到来。其特殊的观测特征，例如前身星可能为双中子星、并合后可能为超大质量中子星、偏轴观测、千新星辐射观测、较高的爆发率等，决定了其必然成为研究重点和热点。因此，本项目主要围绕GW170817及其电磁信号的观测展开了如下研究：1、从观测上验证了短伽马暴喷流具有结构的假设，并且光度随视向角可能成双高斯分布。解释了低光度伽马暴爆发率很高的问题，并自洽的解释了LIGO科学组预言的双中子星并合率相。另外，我们认为短暴本征光度函数应该是一种比较简单的单一幂律加指数截断的形式，以前的工作认为的分段幂律或三段幂律的光度函数可能是本征光度函数与视向角相互作用的结果。2、考虑喷流结构及视向角问题，针对我国已发射的致力于短伽马暴观测的引力波暴高能电磁对应体全天监测器(Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor, GECAM)卫星，我们估算了GECAM与LIGO对引力波-伽马暴事件探测的效率，根据我们的模型预估在300Mpc范围内，未来我们将观测到几十个伽马暴-引力波事件。3、利用标准MIT袋模型，我们研究了非牛顿引力对奇异星的结构以及潮汐形变的影响，并且将理论与观测信息进行对比，例如GW170817并合前中子星的潮汐形变等，基本可以排除其为奇异星的可能。另外，我们认为如果GW170817的前身星为奇子星的话，其总抛射物质的质量达到约10^(-3)倍太阳质量，就可以用于解释与其成协的千新星AT2017gfo的光变。