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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
NSF-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

    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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  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

    The radio galaxy 3C 66B has been hypothesized to host a supermassive black hole binary (SMBHB) at its center based on electromagnetic observations. Its apparent 1.05 yr period and low redshift (∼0.02) make it an interesting testbed to search for low-frequency gravitational waves (GWs) using pulsar timing array (PTA) experiments. This source has been subjected to multiple searches for continuous GWs from a circular SMBHB, resulting in progressively more stringent constraints on its GW amplitude and chirp mass. In this paper, we develop a pipeline for performing Bayesian targeted searches for eccentric SMBHBs in PTA data sets, and test its efficacy by applying it to simulated data sets with varying injected signal strengths. We also search for a realistic eccentric SMBHB source in 3C 66B using the NANOGrav 12.5 yr data set employing PTA signal models containing Earth term-only as well as Earth+pulsar term contributions using this pipeline. Due to limitations in our PTA signal model, we get meaningful results only when the initial eccentricitye0< 0.5 and the symmetric mass ratioη> 0.1. We find no evidence for an eccentric SMBHB signal in our data, and therefore place 95% upper limits on the PTA signal amplitude of 88.1 ± 3.7 ns for the Earth term-only and 81.74 ± 0.86 ns for the Earth+pulsar term searches fore0< 0.5 andη> 0.1. Similar 95% upper limits on the chirp mass are (1.98 ± 0.05) × 109and (1.81 ± 0.01) × 109M. These upper limits, while less stringent than those calculated from a circular binary search in the NANOGrav 12.5 yr data set, are consistent with the SMBHB model of 3C 66B developed from electromagnetic observations.

     
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  5. Abstract When galaxies merge, the supermassive black holes in their centers may form binaries and emit low-frequency gravitational radiation in the process. In this paper, we consider the galaxy 3C 66B, which was used as the target of the first multimessenger search for gravitational waves. Due to the observed periodicities present in the photometric and astrometric data of the source, it has been theorized to contain a supermassive black hole binary. Its apparent 1.05-year orbital period would place the gravitational-wave emission directly in the pulsar timing band. Since the first pulsar timing array study of 3C 66B, revised models of the source have been published, and timing array sensitivities and techniques have improved dramatically. With these advances, we further constrain the chirp mass of the potential supermassive black hole binary in 3C 66B to less than (1.65 ± 0.02) × 10 9   M ⊙ using data from the NANOGrav 11-year data set. This upper limit provides a factor of 1.6 improvement over previous limits and a factor of 4.3 over the first search done. Nevertheless, the most recent orbital model for the source is still consistent with our limit from pulsar timing array data. In addition, we are able to quantify the improvement made by the inclusion of source properties gleaned from electromagnetic data over “blind” pulsar timing array searches. With these methods, it is apparent that it is not necessary to obtain exact a priori knowledge of the period of a binary to gain meaningful astrophysical inferences. 
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