J-GEMの重力波観測ランO4における電磁波フォローアップ
笹田真人（東京工業大学）、J-GEM Collaboration

2023/2/28-3/1

第13回光赤外線天文学大学間連携ワークショップ

重力波天体の電磁波対応天体
中性子星連星またはブラックホール­中性子星連星の合体により重力波を放出→ 噴出物質から電磁波が放射（キロノバ）

NASA/CXC/M.Weiss

電磁波フォローアップ観測から連星合体時の物理過程を調査
キロノバにおける r-process の重元素合成過程を調べる

Abbott +2017

GW170817•LIGO, Virgoにより重力波GW170817が検出•NGC 4993の近傍で突発天体が検出→ 重力波電磁波対応天体と同定•検出された波長と時刻•ガンマ線：2秒後•X線：9日後•可視光：11時間後•電波：16日後明らかな電磁波対応天体が検出された唯一の例

重力波到来領域での電磁波対応天体の探索

Publications of the Astronomical Society of

28-4

with a diameter of twice the FW
GW170817
from Area
18.3ofmag
to 22.5 mag wit(figure 3 and table 4). The 5σ
mainly determined by the depth
are typically shallower than thoparticular, the depths in the po
August 19 are quite shallow. We aof detection by a random injecti
cial point sources with various mfigure 4). The magnitude of artificin time. The large diversity in theAugust 19 causes the shallow deon the PSF magnitude of artifici
Tominaga+ 2018
Lipunov+ 2017
5σ limiting magnitude is roughl3Fig. 1. Pointing map for GW170817 overlaid on the probability mapcompleteness magnitude.
(Abbott et al. 2017d). The white contour represents the 90% credible•重力波の到来領域の大きな不定性により、領域内には多数の星や銀河が存在
As the detected sources includ
region. Circles represent the field-of-view of HSC; their colors changing
with an order of observation. Observations have been carried out fromcandidate selection is performed•世界中の望遠鏡群を用いて重力波の電磁波対応天体の同定を目指す
darker to lighter colors. The dashed curves represent the Galactic graticour wide FOV (Lipunov et al. 2010), in real time (1–2 minutes
the object’s instrumental ﬂux from the difference image. WeCriteria for the detection in a sicorrect the obtained stellar magnitudes for the Galactic extinction,
after a charge-coupled device (CCD) readout), and can work inules.
mag (Schlaﬂy & Finkbeiner 2011).
basedon E (B(Color- V )=0.1online)
alert, inspect, and survey mode, independently of human
The MASTER Global Robotic Net archive contains 126
intervention. This is a unique feature that gives us the ability to(1) |(S/N)PSF | > 5, (2) (b/a)/(b/aThe Astrophysical Journal Letters, 850:L1 (9pp), 2017 November 20

Lipunov et al.

Figure 4. MASTER-composed discovery image started 2017 August 17 at 23:59:54 UT. We used color B, R, I, W ﬁlters, MASTER-OAFA, and MASTER-SAAO
images. The kilonova position is marked by white lines on the left part of composed image. The right (large) image is the MASTER main telescope’s usual FOV.

Table 2
Possible Kilonova Brightness

NameKilonova NGC 4993
GRB 130603
GRB 080503

ZDL Mpc

DMObs.

Bandm vis Max[AB]MabsFlat spec AB

Flux iso erg s−1

0.00980.35600.561*

42.5
1911.93290.5

33.14
41.41
42.59

MASTERHSTGemini/KeckW
Hr

17.3
25.73
25.48

−16.03−15.35−16.621042
5.50 × 1041
1.78 × 1042

Link

This paper
Tanvir et al. (2013)
Perley et al. (2009)

1m

Kagoshima 1m
Kagoshima U

0.5m

Yamaguchi
32m, 34m radio
Yamaguchi U

0.91m

3.8m

MITSuME
Okayama
Tokyo Tech

Seimei
Kyoto U

91cm/OAO WFC
NAOJ

2m

NayutaU of Hyogo

1.5m

1.05m, 20.7deg2

KanataHiroshima U

SaCRA
Kiso/Tomo-e MITSuME
Akeno
Saitama U
U of Tokyo
Tokyo Tech

1.4m

NIRRadio
8.2m, HSC 1.8 deg2

HinOTORI
Hiroshima USubaru
NAOJ
6.5m

1.8m, 1.45 deg2

1.8m,2.2deg20.61m
TAO
U of Tokyo

21機関から89名が参加
IRSF
Nagoya U

PRIME
Osaka U

O4から観測参加

0.55m

Optical0.5m

Main features:- 20 deg2 optical imaging w/1m
- 1.45 deg2 NIR imaging w/1.8m- opt-NIR spectroscopy w/1-8m- opt-NIR polarimetry- wide & deep imaging w/8m

0.5m

MOA-II
Osaka U

B&C
Osaka U

2024年運⽤開始

J-GEM Japanese collaboration for Gravitational-wave Electro-Magnetic follow-up

J-GEM電磁波対応天体探査：2つの戦略候補銀河の観測高確率天域の掃天観測

通常視野の望遠鏡: FoV < 1 deg2

重力波検出器の高確率天域・距離にある
GLADE銀河カタログの明るい銀河多数を観測
KanataIRSF
NayutaOAO WFC
MITSuME
Akeno/Okayama

B&C
SaCRA
Seimei

広視野望遠鏡: FoV > 1 deg2

Subaru/HSC
Kiso/Tomo-e

重力波検出器の確率マップで高確率天域を無バイアス観測

MOA-II→カタログ未記載の銀河もカバー

候補銀河観測：情報一元化による観測効率化
J-GEMサーバー

重力波検出

Planner
GCN
アラート

J-GEM参加望遠鏡
候補銀河・他望遠鏡観測情報

Image Server
観測画像•候補銀河リスト作成•各望遠鏡の観測状況集約•各望遠鏡の画像集約•限界等級計算•突発天体検出（画像差分、目視）→検出情報を各望遠鏡に共有

波長帯・限界等級類似の望遠鏡
観測銀河の重複を避けるà 探査の効率化

Third Observing Run (O3)

O3で検出感度が向上
検出数が飛躍的に上昇
O4ではさらなる感度向上

O3において56の重力波トリガー

https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/

O3におけるJ-GEMのフォローアップ
TypeDistance localization Observation Cumulative Prob(Mpc)(deg2)(Gal. number)
(%)

GCN

GW190408̲181802

BBH

1550

387

10.004224064

GW190412

BBH

740

156

157

0.62

24113, 24350

GW190425

BNS

160

7461

170

1.924192, 24230,24328

GW190426̲190642

BBH

370

1131

64

2.024299

S190510g

Terrestrial

277 921166

151.324464

GW190814

NSBH

240

23

249.825377, 25389

GW190930̲133541

BBH

760

24220

180.2725920, 25941

S191205ahTerrestrial 385 1646378

10.026381

S191213g

Terrestrial

195 594480

451.526477

S200114f
S200213t

Terrestrial
Terrestrial

201 8040323264274

5.026803
27066

23の重力波イベントに対してフォローアップ観測を実施

O3での得られた検出限界とモデル曲線
可視光

GW170817
コクーン

キロノバ

重力波源のモデル曲線と検出限界を比較
6B;X e, hBK2 b2`B2b Q7 Qm` HBKBiBM; K;MBim/2b BM i?2 QTiB+H Ug- r-100Mpcで発生すれば検出可能
RC - i- IC - M/ "GL*V #M/b UQT2M i`BM@;H2V iF2M 7Q` HH ;Htv@i`;2i2/ Q#b2`piBQMb BM Pj `mM iQ;2i?2` rBi? i?2 HB;?i +m`p2 Q7 :qRdy3Rdb+H2/ iQ  /BbiM+2 iQ Ryy JT+ U}HH2/ +B`+H2V- M/ KQ/2H +m`p2b #b2/ QM i?2 K2`;2` Q7  #BM`v

C@:1J PShA*G L. L1_@AL6__1. 6PGGPq@lS AL Pj

重力波源の距離と重力波不定領域サイズ100

重力波源領域に存在する銀河の個数N

S190930t

104 3 ⌦N = 0.00235 ⇥ ⇡d34⇡<latexit sha1_base64="u+UPpLoVj8lQTyhyjE5WVYb6IO4=">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</latexit>

d: 天体までの距離
ΔΩ: 重力波方向の不定性

S190901ap

4

S190425z

S191213g

probability area (deg2)

Gehrels+ 2016

BBH
NSBH
BNS
MassGap
Ter
1
10100

S200213t

S190923y
S190930s

10S190421ar

3

S190510g S190426c
S200219ac
S191105e
S190720a

S190408an

S191216ap

S190412m

102

S190728q

観測可能な銀河数を200個以下とすると距離 100Mpc、方向不定性 500deg2

S200224ca

S190814bv

101
101

S200225q

GW170817
102

103
distance (Mpc)104

O4にむけて2023年5月24日にO4開始
1ヶ月前からエンジニアリングランを実施

O4への取り組み①：せいめい/TriCCS
せいめい望遠鏡/TriCCS• 可視光3バンド同時撮像 (g, r, i/z)
• 候補銀河の即時観測・解析→ 京大・TriCCSチームと準備中

O4への取り組み②：PRIME 1.8m 望遠鏡
PRIME望遠鏡の特徴• 近赤外帯域の撮像観測• FoV: 1.45 deg2
• 南アフリカ → 南天

O4への取り組み③：Image Serverの改良• 画像差分から突発天体を検出• HOTPANTSの差分解析（PSFをモデルフィットから推定）→ 明るい星まわりで引き残り• ZOGYの差分解析（PSFを実際の点源から推定）→ 星まわりの引き残りはない
Image Serverの差分解析をZOGYにより実施

HOTPANTS

ZOGY

まとめ
• J-GEMは2つの戦略で突発天体を探査する• Plannerにて重力波到来領域内の銀河リストを取得し、観測や検出情報を統合する• Image Serverにて取得された銀河画像から突発天体を探す• O3には23の重力波イベントに対してフォローアップを実施した• J-GEMのフォローアップでは距離100Mpc、方向不定性500deg2以下の重力波イベントにおいて対応天体の検出が期待できる• O4にむけて準備を進めている

Light curves in Optical and NIR

Publications of the Astronomical Society

101-5

NIR : ~ 10 days

Optical : < 5 days

Utsumi+ 2017