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Title: Searches for Gravitational Waves from Known Pulsars at Two Harmonics in the Second and Third LIGO-Virgo Observing Runs
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.  more » « less
Award ID(s):
1912649 1806824 2110460 2110575 2207920 1912632 1912598 1806990
NSF-PAR ID:
10355119
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
935
Issue:
1
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
1
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. 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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  3. Abstract Many short gamma-ray bursts (GRBs) originate from binary neutron star mergers, and there are several theories that predict the production of coherent, prompt radio signals either prior, during, or shortly following the merger, as well as persistent pulsar-like emission from the spin-down of a magnetar remnant. Here we present a low frequency (170–200 MHz) search for coherent radio emission associated with nine short GRBs detected by the Swift and/or Fermi satellites using the Murchison Widefield Array (MWA) rapid-response observing mode. The MWA began observing these events within 30–60 s of their high-energy detection, enabling us to capture any dispersion delayed signals emitted by short GRBs for a typical range of redshifts. We conducted transient searches at the GRB positions on timescales of 5 s, 30 s, and 2 min, resulting in the most constraining flux density limits on any associated transient of 0.42, 0.29, and 0.084 Jy, respectively. We also searched for dispersed signals at a temporal and spectral resolution of 0.5 s and 1.28 MHz, but none were detected. However, the fluence limit of 80–100 Jy ms derived for GRB 190627A is the most stringent to date for a short GRB. Assuming the formation of a stable magnetar for this GRB, we compared the fluence and persistent emission limits to short GRB coherent emission models, placing constraints on key parameters including the radio emission efficiency of the nearly merged neutron stars ( $\epsilon_r\lesssim10^{-4}$ ), the fraction of magnetic energy in the GRB jet ( $\epsilon_B\lesssim2\times10^{-4}$ ), and the radio emission efficiency of the magnetar remnant ( $\epsilon_r\lesssim10^{-3}$ ). Comparing the limits derived for our full GRB sample (along with those in the literature) to the same emission models, we demonstrate that our fluence limits only place weak constraints on the prompt emission predicted from the interaction between the relativistic GRB jet and the interstellar medium for a subset of magnetar parameters. However, the 30-min flux density limits were sensitive enough to theoretically detect the persistent radio emission from magnetar remnants up to a redshift of $z\sim0.6$ . Our non-detection of this emission could imply that some GRBs in the sample were not genuinely short or did not result from a binary neutron star merger, the GRBs were at high redshifts, these mergers formed atypical magnetars, the radiation beams of the magnetar remnants were pointing away from Earth, or the majority did not form magnetars but rather collapse directly into black holes. 
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  4. Abstract We present the results of a model-based search for continuous gravitational waves from the low-mass X-ray binary Scorpius X-1 using LIGO detector data from the third observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo. This is a semicoherent search that uses details of the signal model to coherently combine data separated by less than a specified coherence time, which can be adjusted to balance sensitivity with computing cost. The search covered a range of gravitational-wave frequencies from 25 to 1600 Hz, as well as ranges in orbital speed, frequency, and phase determined from observational constraints. No significant detection candidates were found, and upper limits were set as a function of frequency. The most stringent limits, between 100 and 200 Hz, correspond to an amplitude h 0 of about 10 −25 when marginalized isotropically over the unknown inclination angle of the neutron star’s rotation axis, or less than 4 × 10 −26 assuming the optimal orientation. The sensitivity of this search is now probing amplitudes predicted by models of torque balance equilibrium. For the usual conservative model assuming accretion at the surface of the neutron star, our isotropically marginalized upper limits are close to the predicted amplitude from about 70 to 100 Hz; the limits assuming that the neutron star spin is aligned with the most likely orbital angular momentum are below the conservative torque balance predictions from 40 to 200 Hz. Assuming a broader range of accretion models, our direct limits on gravitational-wave amplitude delve into the relevant parameter space over a wide range of frequencies, to 500 Hz or more. 
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  5. Abstract

    In 2017, the LIGO and Virgo gravitational-wave (GW) detectors, in conjunction with electromagnetic (EM) astronomers, observed the first GW multimessenger astrophysical event, the binary neutron star (BNS) merger GW170817. This marked the beginning of a new era in multimessenger astrophysics. To discover further GW multimessenger events, we explore the synergies between the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) and GW observations triggered by the LIGO–Virgo–KAGRA Collaboration (LVK) detector network. TESS's extremely wide field of view (∼2300 deg2) means that it could overlap with large swaths of GW localizations, which often span hundreds of square degrees or more. In this work, we use a recently developed transient detection pipeline to search TESS data collected during the LVK’s third observing run, O3, for any EM counterparts. We find no obvious counterparts brighter than about 17th magnitude in the TESS bandpass. Additionally, we present end-to-end simulations of BNS mergers, including their detection in GWs and simulations of light curves, to identify TESS's kilonova discovery potential for the LVK's next observing run (O4). In the most optimistic case, TESS will observe up to one GW-found BNS merger counterpart per year. However, TESS may also find up to five kilonovae that did not trigger the LVK network, emphasizing that EM-triggered GW searches may play a key role in future kilonova detections. We also discuss how TESS can help place limits on EM emission from binary black hole mergers and rapidly exclude large sky areas for poorly localized GW events.

     
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