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Title: Search for Gravitational Waves Associated with Fast Radio Bursts Detected by CHIME/FRB during the LIGO–Virgo Observing Run O3a
Abstract

We search for gravitational-wave (GW) transients associated with fast radio bursts (FRBs) detected by the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment Fast Radio Burst Project, during the first part of the third observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo (2019 April 1 15:00 UTC–2019 October 1 15:00 UTC). Triggers from 22 FRBs were analyzed with a search that targets both binary neutron star (BNS) and neutron star–black hole (NSBH) mergers. A targeted search for generic GW transients was conducted on 40 FRBs. We find no significant evidence for a GW association in either search. Given the large uncertainties in the distances of our FRB sample, we are unable to exclude the possibility of a GW association. Assessing the volumetric event rates of both FRB and binary mergers, an association is limited to 15% of the FRB population for BNS mergers or 1% for NSBH mergers. We report 90% confidence lower bounds on the distance to each FRB for a range of GW progenitor models and set upper limits on the energy emitted through GWs for a range of emission scenarios. We find values of order 1051–1057erg for models with central GW frequencies in the range 70–3560 Hz. At the sensitivity of this search, we find these limits to be above the predicted GW emissions for the models considered. We also find no significant coincident detection of GWs with the repeater, FRB 20200120E, which is the closest known extragalactic FRB.

 
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Award ID(s):
1806990 2012159 2309172 2011334 2308693 2011608 2207728 2110460 2047597 2308881 2110181 2110481 2110360
PAR ID:
10475698
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
; ; ;
Publisher / Repository:
The Astrophysical Journal
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
955
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
155
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. Abstract

    The magnetar SGR 1935+2154 is the only known Galactic source of fast radio bursts (FRBs). FRBs from SGR 1935+2154 were first detected by the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME)/FRB and the Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2 in 2020 April, after the conclusion of the LIGO, Virgo, and KAGRA Collaborations’ O3 observing run. Here, we analyze four periods of gravitational wave (GW) data from the GEO600 detector coincident with four periods of FRB activity detected by CHIME/FRB, as well as X-ray glitches and X-ray bursts detected by NICER and NuSTAR close to the time of one of the FRBs. We do not detect any significant GW emission from any of the events. Instead, using a short-duration GW search (for bursts ≤1 s) we derive 50% (90%) upper limits of 1048(1049) erg for GWs at 300 Hz and 1049(1050) erg at 2 kHz, and constrain the GW-to-radio energy ratio to ≤1014−1016. We also derive upper limits from a long-duration search for bursts with durations between 1 and 10 s. These represent the strictest upper limits on concurrent GW emission from FRBs.

     
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  3. 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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  4. Abstract

    During the first half of the fourth observing run (O4a) of the International Gravitational Wave Network, the Zwicky Transient Facility (ZTF) conducted a systematic search for kilonova (KN) counterparts to binary neutron star (BNS) and neutron star–black hole (NSBH) merger candidates. Here, we present a comprehensive study of the five high-significance (False Alarm Rate less than 1 yr−1) BNS and NSBH candidates in O4a. Our follow-up campaigns relied on both target-of-opportunity observations and re-weighting of the nominal survey schedule to maximize coverage. We describe the toolkit we have been developing,Fritz, an instance ofSkyPortal, instrumental in coordinating and managing our telescope scheduling, candidate vetting, and follow-up observations through a user-friendly interface. ZTF covered a total of 2841 deg2within the skymaps of the high-significance GW events, reaching a median depth ofg≈ 20.2 mag. We circulated 15 candidates, but found no viable KN counterpart to any of the GW events. Based on the ZTF non-detections of the high-significance events in O4a, we used a Bayesian approach,nimbus, to quantify the posterior probability of KN model parameters that are consistent with our non-detections. Our analysis favors KNe with initial absolute magnitude fainter than −16 mag. The joint posterior probability of a GW170817-like KN associated with all our O4a follow-ups was 64%. Additionally, we use a survey simulation software,simsurvey, to determine that our combined filtered efficiency to detect a GW170817-like KN is 36%, when considering the 5 confirmed astrophysical events in O3 (1 BNS and 4 NSBH events), along with our O4a follow-ups. Following Kasliwal et al., we derived joint constraints on the underlying KN luminosity function based on our O3 and O4a follow-ups, determining that no more than 76% of KNe fading at 1 mag day−1can peak at a magnitude brighter than −17.5 mag.

     
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  5. Abstract

    The identification of persistent radio sources (PRSs) coincident with two repeating fast radio bursts (FRBs) supports FRB theories requiring a compact central engine. However, deep nondetections in other cases highlight the diversity of repeating FRBs and their local environments. Here, we perform a systematic search for radio sources towards 37 CHIME/FRB repeaters using their arcminute localizations and a combination of archival surveys and targeted observations. Through multiwavelength analysis of individual radio sources, we identify two (20181030A-S1 and 20190417A-S1) for which we disfavor an origin of either star formation or an active galactic nucleus in their host galaxies and thus consider them candidate PRSs. We do not find any associated PRSs for the majority of the repeating FRBs in our sample. For eight FRB fields with Very Large Array imaging, we provide deep limits on the presence of PRSs that are 2–4 orders of magnitude fainter than the PRS associated with FRB 20121102A. Using Very Large Array Sky Survey imaging of all 37 fields, we constrain the rate of luminous (≳1040erg s−1) PRSs associated with repeating FRBs to be low. Within the context of FRB-PRS models, we find that 20181030A-S1 and 20190417A-S1 can be reasonably explained within the context of magnetar, hypernebulae, gamma-ray burst afterglow, or supernova ejecta models—although we note that both sources follow the radio luminosity versus rotation measure relationship predicted in the nebula model framework. Future observations will be required to both further characterize and confirm the association of these PRS candidates with the FRBs.

     
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