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Title: First joint observation by the underground gravitational-wave detector KAGRA with GEO 600
Abstract We report the results of the first joint observation of the KAGRA detector with GEO 600. KAGRA is a cryogenic and underground gravitational-wave detector consisting of a laser interferometer with 3 km arms, located in Kamioka, Gifu, Japan. GEO 600 is a British–German laser interferometer with 600 m arms, located near Hannover, Germany. GEO 600 and KAGRA performed a joint observing run from April 7 to 20, 2020. We present the results of the joint analysis of the GEO–KAGRA data for transient gravitational-wave signals, including the coalescence of neutron-star binaries and generic unmodeled transients. We also perform dedicated searches for binary coalescence signals and generic transients associated with gamma-ray burst events observed during the joint run. No gravitational-wave events were identified. We evaluate the minimum detectable amplitude for various types of transient signals and the spacetime volume for which the network is sensitive to binary neutron-star coalescences. We also place lower limits on the distances to the gamma-ray bursts analyzed based on the non-detection of an associated gravitational-wave signal for several signal models, including binary coalescences. These analyses demonstrate the feasibility and utility of KAGRA as a member of the global gravitational-wave detector network.  more » « less
Award ID(s):
1806990 2110060 2110181 1806577 2110360 1806461 1912630 1912649 1912578 2110575 2012057 2011786 2011334 2207920 2110594 2012159
NSF-PAR ID:
10342253
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Progress of Theoretical and Experimental Physics
Volume:
2022
Issue:
6
ISSN:
2050-3911
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. ABSTRACT

    Gamma-ray burst GRB 211211A may have been the result of a neutron star merger at ≈350 Mpc. However, none of the LIGO–Virgo detectors were operating at the time. We show that the gravitational-wave signal from a GRB 211211A-like binary neutron star inspiral in the next LIGO–Virgo–KAGRA observing run (O4) would be below the conventional detection threshold, however a coincident gamma-ray burst observation would provide necessary information to claim a statistically significant multimessenger observation. We calculate that with O4 sensitivity, approximately $11{{\ \rm per\ cent}}$ of gamma-ray bursts within 600 Mpc will produce a confident association between the gravitational-wave binary neutron star inspiral signature and the prompt gamma-ray signature. This corresponds to a coincident detection rate of $0.22^{+8.3}_{-0.22}\,\mathrm{yr^{-1}}$, where the uncertainties are the 90 per cent confidence intervals arising from uncertainties in the absolute merger rate, beaming and jet-launching fractions. These increase to approximately $34{{\ \rm per\ cent}}$ and $0.71^{+26.8}_{-0.70}\,\mathrm{yr^{-1}}$ with proposed O5 sensitivity. We show that the above numbers do not depend significantly on the number of gravitational-wave observatories operating with the specific sensitivity. That is, the number of confident joint gamma-ray burst and gravitational-wave detections is only marginally improved with two or three detectors operating compared to a single detector. It is therefore worth considering whether one detector with sufficient sensitivity (post O4) should remain in sky-watch mode at all times to elucidate the true nature of GRB 211211A-like events, a proposal we discuss in detail.

     
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  2. Abstract We search for gravitational-wave signals associated with gamma-ray bursts (GRBs) detected by the Fermi and Swift satellites during the second half of the third observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo (2019 November 1 15:00 UTC–2020 March 27 17:00 UTC). We conduct two independent searches: a generic gravitational-wave transients search to analyze 86 GRBs and an analysis to target binary mergers with at least one neutron star as short GRB progenitors for 17 events. We find no significant evidence for gravitational-wave signals associated with any of these GRBs. A weighted binomial test of the combined results finds no evidence for subthreshold gravitational-wave signals associated with this GRB ensemble either. We use several source types and signal morphologies during the searches, resulting in lower bounds on the estimated distance to each GRB. Finally, we constrain the population of low-luminosity short GRBs using results from the first to the third observing runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo. The resulting population is in accordance with the local binary neutron star merger rate. 
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  3. Abstract

    Searches for electromagnetic counterparts of gravitational-wave signals have redoubled since the first detection in 2017 of a binary neutron star merger with a gamma-ray burst, optical/infrared kilonova, and panchromatic afterglow. Yet, one LIGO/Virgo observing run later, there has not yet been a second, secure identification of an electromagnetic counterpart. This is not surprising given that the localization uncertainties of events in LIGO and Virgo’s third observing run, O3, were much larger than predicted. We explain this by showing that improvements in data analysis that now allow LIGO/Virgo to detect weaker and hence more poorly localized events have increased the overall number of detections, of which well-localized,gold-platedevents make up a smaller proportion overall. We present simulations of the next two LIGO/Virgo/KAGRA observing runs, O4 and O5, that are grounded in the statistics of O3 public alerts. To illustrate the significant impact that the updated predictions can have, we study the follow-up strategy for the Zwicky Transient Facility. Realistic and timely forecasting of gravitational-wave localization accuracy is paramount given the large commitments of telescope time and the need to prioritize which events are followed up. We include a data release of our simulated localizations as a public proposal planning resource for astronomers.

     
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  4. Abstract We present our current best estimate of the plausible observing scenarios for the Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA gravitational-wave detectors over the next several years, with the intention of providing information to facilitate planning for multi-messenger astronomy with gravitational waves. We estimate the sensitivity of the network to transient gravitational-wave signals for the third (O3), fourth (O4) and fifth observing (O5) runs, including the planned upgrades of the Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors. We study the capability of the network to determine the sky location of the source for gravitational-wave signals from the inspiral of binary systems of compact objects, that is binary neutron star, neutron star–black hole, and binary black hole systems. The ability to localize the sources is given as a sky-area probability, luminosity distance, and comoving volume. The median sky localization area (90% credible region) is expected to be a few hundreds of square degrees for all types of binary systems during O3 with the Advanced LIGO and Virgo (HLV) network. The median sky localization area will improve to a few tens of square degrees during O4 with the Advanced LIGO, Virgo, and KAGRA (HLVK) network. During O3, the median localization volume (90% credible region) is expected to be on the order of $$10^{5}, 10^{6}, 10^{7}\mathrm {\ Mpc}^3$$ 10 5 , 10 6 , 10 7 Mpc 3 for binary neutron star, neutron star–black hole, and binary black hole systems, respectively. The localization volume in O4 is expected to be about a factor two smaller than in O3. We predict a detection count of $$1^{+12}_{-1}$$ 1 - 1 + 12 ( $$10^{+52}_{-10}$$ 10 - 10 + 52 ) for binary neutron star mergers, of $$0^{+19}_{-0}$$ 0 - 0 + 19 ( $$1^{+91}_{-1}$$ 1 - 1 + 91 ) for neutron star–black hole mergers, and $$17^{+22}_{-11}$$ 17 - 11 + 22 ( $$79^{+89}_{-44}$$ 79 - 44 + 89 ) for binary black hole mergers in a one-calendar-year observing run of the HLV network during O3 (HLVK network during O4). We evaluate sensitivity and localization expectations for unmodeled signal searches, including the search for intermediate mass black hole binary mergers. 
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  5. Abstract KAGRA, the underground and cryogenic gravitational-wave detector, was operated for its solo observation from February 25 to March 10, 2020, and its first joint observation with the GEO 600 detector from April 7 to April 21, 2020 (O3GK). This study presents an overview of the input optics systems of the KAGRA detector, which consist of various optical systems, such as a laser source, its intensity and frequency stabilization systems, modulators, a Faraday isolator, mode-matching telescopes, and a high-power beam dump. These optics were successfully delivered to the KAGRA interferometer and operated stably during the observations. The laser frequency noise was observed to limit the detector sensitivity above a few kilohertz, whereas the laser intensity did not significantly limit the detector sensitivity. 
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