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Title: Narrowband Searches for Continuous and Long-duration Transient Gravitational Waves from Known Pulsars in the LIGO-Virgo Third Observing Run
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.  more » « less
Award ID(s):
1806990 2110181 1806577 2110360 1806461 1806656 2110509 1912630 1912649 2110575 2012057 2011786 2011334 2207920 1912632 2110594
NSF-PAR ID:
10342250
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
932
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
133
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 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. 
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  3. Abstract

    We report on a search for continuous gravitational waves (GWs) from NS 1987A, the neutron star born in SN 1987A. The search covered a frequency band of 75–275 Hz, included a wide range of spin-down parameters for the first time, and coherently integrated 12.8 days of LIGO data below 125 Hz and 8.7 days of LIGO data above 125 Hz from the second Advanced LIGO–Virgo observing run. We found no astrophysical signal. We set upper limits on GW emission as tight as an intrinsic strain of 2 × 10−25at 90% confidence. The large spin-down parameter space makes this search the first astrophysically consistent one for continuous GWs from NS 1987A. Our upper limits are the first consistent ones to beat an analog of the spin-down limit based on the age of the neutron star and hence are the first GW observations to put new constraints on NS 1987A.

     
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  4. ABSTRACT

    The International Pulsar Timing Array 2nd data release is the combination of data sets from worldwide collaborations. In this study, we search for continuous waves: gravitational wave signals produced by individual supermassive black hole binaries in the local universe. We consider binaries on circular orbits and neglect the evolution of orbital frequency over the observational span. We find no evidence for such signals and set sky averaged 95 per cent upper limits on their amplitude h95. The most sensitive frequency is 10 nHz with h95 = 9.1 × 10−15. We achieved the best upper limit to date at low and high frequencies of the PTA band thanks to improved effective cadence of observations. In our analysis, we have taken into account the recently discovered common red noise process, which has an impact at low frequencies. We also find that the peculiar noise features present in some pulsars data must be taken into account to reduce the false alarm. We show that using custom noise models is essential in searching for continuous gravitational wave signals and setting the upper limit.

     
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  5. ABSTRACT

    Rotating neutron stars (NSs) are promising sources of gravitational waves (GWs) in the frequency band of ground-based detectors. They are expected to emit quasi-monochromatic, long-duration GW signals, called continuous waves (CWs), due to their deviations from spherical symmetry. The degree of such deformations, and hence the information about the internal structure of an NS, is encoded in a dimension-less parameter ε called ellipticity. Searches for CW signals from isolated Galactic NSs have shown to be sensitive to ellipticities as low as $\varepsilon \sim \mathcal {O}(10^{-9})$. These searches are optimal for detecting and characterizing GWs from individual NSs, but they are not designed to measure the properties of NSs as population, such as the average ellipticity εav. These ensemble properties can be determined by the measurement of the stochastic gravitational-wave background (SGWB) arising from the superposition of GW signals from individually undetectable NSs. In this work, we perform a cross-correlation search for such a SGWB using the data from the first three observation runs of Advanced LIGO and Virgo. Finding no evidence for an SGWB signal, we set upper limits on the dimension-less energy density parameter Ωgw(f). Using these results, we also constrain the average ellipticity of Galactic NSs and five NS ‘hotspots’, as a function of the number of NSs emitting GWs within the frequency band of the search Nband. We find $\varepsilon _{\mathrm{av}} \lesssim 1.8 \times 10^{-8}$, with Nband = 1.6 × 107, for Galactic NSs, and $\varepsilon _{\mathrm{av}} \lesssim [3.5-11.8]\times 10^{-7}$, with Nband = 1.6 × 1010, for NS hotspots.

     
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