双中子星并合事件的多信使研究

Recently, the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) team reports their discovery of the first gravitational wave (GW) source, GW 150914, opening a brand new channel for studying the Universe, which could lead to breakthroughs in both fundamental physics and astrophysics. Due to the faint nature of GWs, an associated electromagnetic (EM) emission signal or neutrino signal coinciding with the GW detection in both trigger time and direction would increase the signal-to-noise ratio of the GW signal, and therefore would be essential for its identification. As one of the top targets for the second generation of GW detectors, such as the advanced LIGO/VIRGO, the mergers of two neutron stars (NSs) are most likely to be observed in multi-messenger channels. In this project, we will systematically study the questions about multi-messenger signals from NS-NS mergers, for example, what kind of EM signals are expected from NS-NS mergers? Given the parameters of EM detector, what is the observation strategy and detection rate for these signals? What kind of neutrino signals are expected from NS-NS mergers, are they detectable? Is there continuous GW signals emitted long after the merger, are they detectable? etc..

双黑洞并合产生的引力波信号由第二代地面激光干涉仪引力波探测器Advanced LIGO 第一次直接探测到，开启了引力波天文学的新时代。这一成果具有划时代的意义，必将对天体物理领域乃至整个基础物理领域带来革命性的影响。由于引力波自身信号很微弱，定位精度差，因此对引力波源其他伴随信号，如电磁信号，中微子信号等多信使探测至关重要。第二代引力波探测器重要的探测目标之一，也是学术界探讨最多的，最有可能实现多信使观测的是双中子星并合事件。本项目将详细研究双中子星并合过程所产生的多信使信号相关问题，例如双中子星并合事件能够产生什么样的电磁信号？假设被预言的电磁信号存在，需要什么样的天体物理探测器，以及需要采取什么样的观测策略才有可能实现引力波与电磁辐射的联合探测？双中子星并合事件将产生什么样的高能中微子信号，其探测前景如何？双中子星并合后是否仍存在持续辐射的引力波信号，其探测前景如何？等等。

第二代地面激光干涉仪引力波探测器实现了对引力波信号的直接探测，开启了引力波天文学的新时代。这一成果具有划时代的意义，必将对天体物理领域乃至整个基础物理领域带来革命性的影响。由于引力波自身信号很微弱，定位精度差，因此对引力波源其他伴随信号，如电磁信号等多信使探测至关重要。第二代引力波探测器重要的探测目标之一，也是学术界探讨最多的，最有可能实现多信使观测的是双中子星并合事件。在本项目申请与立项之初，双中子星并合事件所产生的引力波信号还未被探测到，彼时制定的研究计划包括研究双中子星并合过程所产生的多信使信号相关问题，例如双中子星并合事件能够产生什么样的电磁信号?假设被预言的电磁信号存在，需要什么样的天体物理探测器，以及需要采取什么样的观测策略才有可能实现引力波与电磁辐射的联合探测等等。幸运的是，在项目刚刚开始执行后不久，LIGO和VIRGO合作组探测到了一个双中子星并合事件的引力波辐射(GW170817)。随后，几乎全波段的电磁对应体被陆续观测到，多信使天文学被正式开启。在此背景下，项目针对双中子星并合事件的多信使信号开展了详细研究，主要研究内容与成果包括：对全部的短伽玛暴数据系统性搜索毫秒磁星供能的“并合新星”信号，从而研究了双中子星并合产物问题；探讨“并合新星”信号被结构化喷流加速的激波区逆康普顿散射所产生的新高能辐射信号；探讨双中子星并合事件被引力波探测器以及高能电磁波探测器联合探测率；探讨双中子星并合所产生的超大质量中子星引力波辐射情况；利用多信使信号探讨LVC探测到的第一例双中子星并合事件GW170817的并合产物性质，以及不同产物对中子星状态方程的限制等等。