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This content will become publicly available on September 28, 2024

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
NSF-PAR ID:
10475698
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
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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

    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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  3. ABSTRACT

    GW190425 was the second gravitational wave (GW) signal compatible with a binary neutron star (BNS) merger detected by the Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors. Since no electromagnetic counterpart was identified, whether the associated kilonova was too dim or the localization area too broad is still an open question. We simulate 28 BNS mergers with the chirp mass of GW190425 and mass ratio 1 ≤ q ≤ 1.67, using numerical-relativity simulations with finite-temperature, composition dependent equations of state (EOS) and neutrino radiation. The energy emitted in GWs is $\lesssim 0.083\mathrm{\, M_\odot }c^2$ with peak luminosity of 1.1–$2.4\times ~10^{58}/(1+q)^2\, {\rm {erg \, s^{-1}}}$. Dynamical ejecta and disc mass range between 5 × 10−6–10−3 and 10−5–$0.1 \mathrm{\, M_\odot }$, respectively. Asymmetric mergers, especially with stiff EOSs, unbind more matter and form heavier discs compared to equal mass binaries. The angular momentum of the disc is 8–$10\mathrm{\, M_\odot }~GM_{\rm {disc}}/c$ over three orders of magnitude in Mdisc. While the nucleosynthesis shows no peculiarity, the simulated kilonovae are relatively dim compared with GW170817. For distances compatible with GW190425, AB magnitudes are always dimmer than ∼20 mag for the B, r, and K bands, with brighter kilonovae associated to more asymmetric binaries and stiffer EOSs. We suggest that, even assuming a good coverage of GW190425’s sky location, the kilonova could hardly have been detected by present wide-field surveys and no firm constraints on the binary parameters or EOS can be argued from the lack of the detection.

     
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  4. Abstract

    We present the first X-ray census of fast radio burst (FRB) host galaxies to conduct the deepest search for active galactic nuclei (AGN) and X-ray counterparts to date. Our sample includes seven well-localized FRBs with unambiguous host associations and existing deep Chandra observations, including two events for which we present new observations. We find evidence for AGN in two FRB host galaxies based on the presence of X-ray emission coincident with their centers, including the detection of a luminous (LX≈ 5 × 1042erg s−1) X-ray source at the nucleus of FRB 20190608B’s host, for which we infer an SMBH mass ofMBH∼ 108Mand an Eddington ratioLbol/LEdd≈ 0.02, characteristic of geometrically thin disks in Seyfert galaxies. We also report nebular emission-line fluxes for 24 highly secure FRB hosts (including 10 hosts for the first time), and assess their placement on a BPT diagram, finding that FRB hosts trace the underlying galaxy population. We further find that the hosts of repeating FRBs are not confined to the star-forming locus, contrary to previous findings. Finally, we place constraints on associated X-ray counterparts to FRBs in the context of ultraluminous X-ray sources (ULXs), and find that existing X-ray limits for FRBs rule out ULXs brighter thanLX≳ 1040erg s−1. Leveraging the CHIME/FRB catalog and existing ULX catalogs, we search for spatially coincident ULX–FRB pairs. We identify a total of 28 ULXs spatially coincident with the localization regions for 17 FRBs, but find that the DM-inferred redshifts for the FRBs are inconsistent with the ULX redshifts, disfavoring an association between these specific ULX–FRB pairs.

     
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  5. ABSTRACT We describe a search for gravitational waves from compact binaries with at least one component with mass $0.2$–$1.0 \, \mathrm{M}_\odot$ and mass ratio q ≥ 0.1 in Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) and Advanced Virgo data collected between 2019 November 1, 15:00 utc and 2020 March 27, 17:00 utc. No signals were detected. The most significant candidate has a false alarm rate of $0.2 \, \rm {yr}^{-1}$. We estimate the sensitivity of our search over the entirety of Advanced LIGO’s and Advanced Virgo’s third observing run, and present the most stringent limits to date on the merger rate of binary black holes with at least one subsolar-mass component. We use the upper limits to constrain two fiducial scenarios that could produce subsolar-mass black holes: primordial black holes (PBH) and a model of dissipative dark matter. The PBH model uses recent prescriptions for the merger rate of PBH binaries that include a rate suppression factor to effectively account for PBH early binary disruptions. If the PBHs are monochromatically distributed, we can exclude a dark matter fraction in PBHs $f_\mathrm{PBH} \gtrsim \, 0.6$ (at 90 per cent confidence) in the probed subsolar-mass range. However, if we allow for broad PBH mass distributions, we are unable to rule out fPBH = 1. For the dissipative model, where the dark matter has chemistry that allows a small fraction to cool and collapse into black holes, we find an upper bound fDBH < 10−5 on the fraction of atomic dark matter collapsed into black holes. 
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