Present and Future of Multi-Messenger Astronomy: Binary Neutron Star and Black Hole - Neutron Star Mergers

Colombo, Alberto

Present and Future of Multi-Messenger Astronomy: Binary Neutron Star and Black Hole - Neutron Star Mergers

Alberto Colombo

May 27, 2024

146 pages

Supervisor:

Monica Colpi

Thesis: PhD (2024)

Published: May 27, 2024

URN/HDL:

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Abstract: (UNITesi)

La scoperta del segnale di onda gravitazionale GW170817, compatibile con un sistema di stelle di neutroni binarie, da parte della collaborazione LIGO e Virgo, insieme all'identificazione successiva delle sue controparti elettromagnetiche multi-lunghezza d'onda, ha segnato l'inizio dell'era dell'astronomia multi-messaggera. In particolare, è stata rilevata anche una seconda fusione di stelle di neutroni binarie, GW190425, che tuttavia non ha presentato alcun corrispondente elettromagnetico associato.Anche le fusioni tra buco nero e stella di neutroni hanno il potenziale di produrre emissioni elettromagnetiche, ma, sebbene già rilevate attraverso i loro segnali di onde gravitazionali, fino ad oggi nessuna controparte è stata associata a questi eventi.Durante il terzo ciclo di osservazione della rete di rilevatori di onde gravitazionali O3 e la fase iniziale del quarto ciclo O4a, sono state condotte ampie campagne di follow-up elettromagnetico. Nonostante significativi investimenti in risorse osservative, questi sforzi hanno principalmente prodotto solo contaminanti, in particolare supernovae Ia, fornendo informazioni limitate sulle proprietà delle binarie gravitazionali.Man mano che procediamo verso le fasi avanzate del ciclo osservativo O4 e O5, e con lo sviluppo di interferometri di onde gravitazionali di terza generazione come Einstein Telescope e Cosmic Explorer, la necessità di previsioni precise diventa sempre più critica. Queste previsioni sono essenziali per affinare le strategie di follow-up per massimizzare la probabilità di rilevare fenomeni transitori elettromagnetici associati a questi eventi.Questa tesi di dottorato presenta una proiezione realistica del numero e delle caratteristiche delle fusioni di stelle di neutroni e fusioni buco nero-stella di neutroni che si prevede siano osservabili come fonti multi-messaggere durante O4, O5 e dai rilevatori di terza generazione. L'obiettivo è fornire una guida strategica per ottimizzare gli approcci osservativi.Queste previsioni si basano su un modello di sintesi di popolazione che incorpora vari elementi: il rapporto segnale-rumore dell'onda gravitazionale, la localizzazione del cielo inferita, le curve di luce ottiche e infrarosse della kilonova, il picco del flusso in fotoni dell'emissione del gamma ray burst, e le curve di luce dell’emissione afterglow nelle lunghezze d'onda radio, ottiche e X.Utilizzando questo approccio, è possibile delineare le distribuzioni previste degli osservabili elettromagnetici per gli eventi rilevabili negli attuali e imminenti cicli osservativi O4, O5, e dai futuri osservatori di onde gravitazionali. Questo studio affronta quindi domande fondamentali e offre una prospettiva approfondita e contemporanea sul presente e sul futuro dell'astronomia multi-messaggera.

Onde gravitazionali
Kilonova
Raggi gamma
Stella di Neutroni
Buco Nero
Gravitational wave
Gamma ray burst
Neutron Star
Black Hole
FIS/05 - ASTRONOMIA E ASTROFISICA

References(356)

Figures(0)

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Advanced LIGO

LIGO Scientific

Collaboration

•

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- Class.Quant.Grav. 32 (2015) 074001
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Characterization of the LIGO detectors during their sixth science run

LIGO Scientific and
VIRGO

Collaborations

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Search for Gravitational Waves Associated with Gamma-Ray Bursts During the First Advanced LIGO Observing Run and Implications for the Origin of GRB 150906B

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GW190425: Observation of a Compact Binary Coalescence with Total Mass $\sim 3.4 M_{\odot}$

LIGO Scientific and
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et al.

- Astrophys.J.Lett. 892 (2020) 1, L3
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GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs

LIGO Scientific and
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- Phys.Rev.X 9 (2019) 3, 031040
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[11]

Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger

LIGO Scientific and
Virgo and
Fermi GBM and
INTEGRAL and
IceCube and
IPN and
Insight-Hxmt and
ANTARES and
Swift and
Dark Energy Camera GW-EM and
DES and
DLT40 and
GRAWITA and
Fermi-LAT and
ATCA and
ASKAP and
OzGrav and
DWF (Deeper Wider Faster Program) and
AST3 and
CAASTRO and
VINROUGE and
MASTER and
J-GEM and
GROWTH and
JAGWAR and
CaltechNRAO and
TTU-NRAO and
NuSTAR and
Pan-STARRS and
KU and
Nordic Optical Telescope and
ePESSTO and
GROND and
Texas Tech University and
TOROS and
BOOTES and
MWA and
CALET and
IKI-GW Follow-up and
H.E.S.S. and
LOFAR and
LWA and
HAWC and
Pierre Auger and
ALMA and
Pi of Sky and
Chandra Team at McGill University and
DFN and
ATLAS Telescopes and
High Time Resolution Universe Survey and
RIMAS and
RATIR and
SKA South Africa/MeerKAT

Collaborations

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GRAWITA and
Fermi-LAT and
ATCA and
ASKAP and
OzGrav and
DWF (Deeper Wider Faster Program) and
AST3 and
CAASTRO and
VINROUGE and
MASTER and
J-GEM and
GROWTH and
JAGWAR and
CaltechNRAO and
TTU-NRAO and
NuSTAR and
Pan-STARRS and
KU and
Nordic Optical Telescope and
ePESSTO and
GROND and
Texas Tech University and
TOROS and
BOOTES and
MWA and
CALET and
IKI-GW Follow-up and
H.E.S.S. and
LOFAR and
LWA and
HAWC and
Pierre Auger and
ALMA and
Pi of Sky and
Chandra Team at McGill University and
DFN and
ATLAS Telescopes and
High Time Resolution Universe Survey and
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Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA

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- LIGO Lab., Caltech
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- Living Rev.Rel. 21 (2018) 3,
- Living Rev.Rel. 19 (2016) 1
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- 1304.0670
•
DOI:
- 10.1007/s41114-020-00026-9

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Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA

B.P. Abbott

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- 10.1007/s41114020-00026-9

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Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA

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