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Title: Constraints from LIGO O3 Data on Gravitational-wave Emission Due to R-modes in the Glitching Pulsar PSR J0537–6910
Abstract We present a search for continuous gravitational-wave emission due to r-modes in the pulsar PSR J0537–6910 using data from the LIGO–Virgo Collaboration observing run O3. PSR J0537–6910 is a young energetic X-ray pulsar and is the most frequent glitcher known. The inter-glitch braking index of the pulsar suggests that gravitational-wave emission due to r-mode oscillations may play an important role in the spin evolution of this pulsar. Theoretical models confirm this possibility and predict emission at a level that can be probed by ground-based detectors. In order to explore this scenario, we search for r-mode emission in the epochs between glitches by using a contemporaneous timing ephemeris obtained from NICER data. We do not detect any signals in the theoretically expected band of 86–97 Hz, and report upper limits on the amplitude of the gravitational waves. Our results improve on previous amplitude upper limits from r-modes in J0537-6910 by a factor of up to 3 and place stringent constraints on theoretical models for r-mode-driven spin-down in PSR J0537–6910, especially for higher frequencies at which our results reach below the spin-down limit defined by energy conservation.  more » « less
Award ID(s):
2011334 1921006 2011786 2110460 1806824 1806990 1806577 2110360 1806461 1806656 2110509 1912630 1912649 2110575
PAR ID:
10315582
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
922
Issue:
1
ISSN:
0004-637X
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract We present a targeted search for continuous gravitational waves (GWs) from 236 pulsars using data from the third observing run of LIGO and Virgo (O3) combined with data from the second observing run (O2). Searches were for emission from the l = m = 2 mass quadrupole mode with a frequency at only twice the pulsar rotation frequency (single harmonic) and the l = 2, m = 1, 2 modes with a frequency of both once and twice the rotation frequency (dual harmonic). No evidence of GWs was found, so we present 95% credible upper limits on the strain amplitudes h 0 for the single-harmonic search along with limits on the pulsars’ mass quadrupole moments Q 22 and ellipticities ε . Of the pulsars studied, 23 have strain amplitudes that are lower than the limits calculated from their electromagnetically measured spin-down rates. These pulsars include the millisecond pulsars J0437−4715 and J0711−6830, which have spin-down ratios of 0.87 and 0.57, respectively. For nine pulsars, their spin-down limits have been surpassed for the first time. For the Crab and Vela pulsars, our limits are factors of ∼100 and ∼20 more constraining than their spin-down limits, respectively. For the dual-harmonic searches, new limits are placed on the strain amplitudes C 21 and C 22 . For 23 pulsars, we also present limits on the emission amplitude assuming dipole radiation as predicted by Brans-Dicke theory. 
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  2. Abstract Continuous gravitational waves (CWs) emission from neutron stars carries information about their internal structure and equation of state, and it can provide tests of general relativity. We present a search for CWs from a set of 45 known pulsars in the first part of the fourth LIGO–Virgo–KAGRA observing run, known as O4a. We conducted a targeted search for each pulsar using three independent analysis methods considering single-harmonic and dual-harmonic emission models. We find no evidence of a CW signal in O4a data for both models and set upper limits on the signal amplitude and on the ellipticity, which quantifies the asymmetry in the neutron star mass distribution. For the single-harmonic emission model, 29 targets have the upper limit on the amplitude below the theoretical spin-down limit. The lowest upper limit on the amplitude is 6.4 × 10−27for the young energetic pulsar J0537−6910, while the lowest constraint on the ellipticity is 8.8 × 10−9for the bright nearby millisecond pulsar J0437−4715. Additionally, for a subset of 16 targets, we performed a narrowband search that is more robust regarding the emission model, with no evidence of a signal. We also found no evidence of nonstandard polarizations as predicted by the Brans–Dicke theory. 
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  3. Abstract Isolated neutron stars that are asymmetric with respect to their spin axis are possible sources of detectable continuous gravitational waves. This paper presents a fully coherent search for such signals from eighteen pulsars in data from LIGO and Virgo’s third observing run (O3). For known pulsars, efficient and sensitive matched-filter searches can be carried out if one assumes the gravitational radiation is phase-locked to the electromagnetic emission. In the search presented here, we relax this assumption and allow both the frequency and the time derivative of the frequency of the gravitational waves to vary in a small range around those inferred from electromagnetic observations. We find no evidence for continuous gravitational waves, and set upper limits on the strain amplitude for each target. These limits are more constraining for seven of the targets than the spin-down limit defined by ascribing all rotational energy loss to gravitational radiation. In an additional search, we look in O3 data for long-duration (hours–months) transient gravitational waves in the aftermath of pulsar glitches for six targets with a total of nine glitches. We report two marginal outliers from this search, but find no clear evidence for such emission either. The resulting duration-dependent strain upper limits do not surpass indirect energy constraints for any of these targets. 
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  4. Abstract We present the results of an all-sky search for continuous gravitational waves in the public LIGO O3 data. The search covers signal frequencies 20.0 Hz ≤f≤ 800.0 Hz and a spin-down range down to −2.6 × 10−9Hz s−1, motivated by detectability studies on synthetic populations of Galactic neutron stars. This search is the most sensitive all-sky search to date in this frequency/spin-down region. The initial search was performed using the first half of the public LIGO O3 data (O3a), utilizing graphical processing units provided in equal parts by the volunteers of the Einstein@Home computing project and by the ATLAS cluster. After a hierarchical follow-up in seven stages, 12 candidates remain. Six are discarded at the eighth stage, by using the remaining O3 LIGO data (O3b). The surviving six can be ascribed to continuous-wave fake signals present in the LIGO data for validation purposes. We recover these fake signals with very high accuracy with our last stage search, which coherently combines all O3 data. Based on our results, we set upper limits on the gravitational-wave amplitudeh0and translate these into upper limits on the neutron star ellipticity and on ther-mode amplitude. The most stringent upper limits are at 203 Hz, withh0= 8.1 × 10−26at the 90% confidence level. Our results exclude isolated neutron stars rotating faster than 5 ms with ellipticities greater than 5 × 10 8 d 100 pc within a distancedfrom Earth andr-mode amplitudes α 10 5 d 100 pc for neutron stars spinning faster than 150 Hz. 
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  5. Abstract We present the results of a Bayesian search for gravitational wave (GW) memory in the NANOGrav 12.5 yr data set. We find no convincing evidence for any gravitational wave memory signals in this data set. We find a Bayes factor of 2.8 in favor of a model that includes a memory signal and common spatially uncorrelated red noise (CURN) compared to a model including only a CURN. However, further investigation shows that a disproportionate amount of support for the memory signal comes from three dubious pulsars. Using a more flexible red-noise model in these pulsars reduces the Bayes factor to 1.3. Having found no compelling evidence, we go on to place upper limits on the strain amplitude of GW memory events as a function of sky location and event epoch. These upper limits are computed using a signal model that assumes the existence of a common, spatially uncorrelated red noise in addition to a GW memory signal. The median strain upper limit as a function of sky position is approximately 3.3 × 10−14. We also find that there are some differences in the upper limits as a function of sky position centered around PSR J0613−0200. This suggests that this pulsar has some excess noise that can be confounded with GW memory. Finally, the upper limits as a function of burst epoch continue to improve at later epochs. This improvement is attributable to the continued growth of the pulsar timing array. 
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