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Title: A Joint Fermi-GBM and Swift-BAT Analysis of Gravitational-wave Candidates from the Third Gravitational-wave Observing Run
Abstract

We present Fermi Gamma-ray Burst Monitor (Fermi-GBM) and Swift Burst Alert Telescope (Swift-BAT) searches for gamma-ray/X-ray counterparts to gravitational-wave (GW) candidate events identified during the third observing run of the Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors. Using Fermi-GBM onboard triggers and subthreshold gamma-ray burst (GRB) candidates found in the Fermi-GBM ground analyses, the Targeted Search and the Untargeted Search, we investigate whether there are any coincident GRBs associated with the GWs. We also search the Swift-BAT rate data around the GW times to determine whether a GRB counterpart is present. No counterparts are found. Using both the Fermi-GBM Targeted Search and the Swift-BAT search, we calculate flux upper limits and present joint upper limits on the gamma-ray luminosity of each GW. Given these limits, we constrain theoretical models for the emission of gamma rays from binary black hole mergers.

 
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Award ID(s):
2308693 2011608 2207728 2011786 2308881 2207999 2309242 2110060 2110594 2110509 2110360
PAR ID:
10497462
Author(s) / Creator(s):
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Publisher / Repository:
DOI PREFIX: 10.3847
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
964
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Format(s):
Medium: X Size: Article No. 149
Size(s):
Article No. 149
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract

    GW230529 is the first compact binary coalescence detected by the LIGO–Virgo–KAGRA collaboration with at least one component mass confidently in the lower mass gap, corresponding to the range 3–5M. If interpreted as a neutron star–black hole merger, this event has the most symmetric mass ratio detected so far and therefore has a relatively high probability of producing electromagnetic (EM) emission. However, no EM counterpart has been reported. At the merger timet0, Swift-BAT and Fermi-GBM together covered 100% of the sky. Performing a targeted search in a time window [t0− 20 s,t0+ 20 s], we report no detection by the Swift-BAT and Fermi-GBM instruments. Combining the position-dependentγ-ray flux upper limits and the gravitational-wave posterior distribution of luminosity distance, sky localization, and inclination angle of the binary, we derive constraints on the characteristic luminosity and structure of the jet possibly launched during the merger. Assuming atop-hatjet structure, we exclude at 90% credibility the presence of a jet that has at the same time an on-axis isotropic luminosity ≳1048erg s−1in the bolometric band 1 keV–10 MeV and a jet opening angle ≳15°. Similar constraints are derived by testing other assumptions about the jet structure profile. Excluding GRB 170817A, the luminosity upper limits derived here are below the luminosity of any GRB observed so far.

     
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  2. Abstract We present the results of a time-coincident event search for low-energy electron antineutrinos in the KamLAND detector with gamma-ray bursts (GRBs) from the Gamma-ray Coordinates Network and Fermi Gamma-ray Burst Monitor. Using a variable coincidence time window of ±500 s plus the duration of each GRB, no statistically significant excess above the background is observed. We place the world’s most stringent 90% confidence level upper limit on the electron antineutrino fluence below 17.5 MeV. Assuming a Fermi–Dirac neutrino energy spectrum from the GRB source, we use the available redshift data to constrain the electron antineutrino luminosity and effective temperature. 
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  3. Abstract

    The detection of the gravitational wave (GW) counterpart GRB 170817A, underluminous compared to the cosmological gamma-ray burst (GRB) population by a factor of 10,000, motivates significant effort in detecting and localizing a dim, nearby, and slightly off-axis population of short GRBs. Swift’s Burst Alert Telescope (BAT) is one of the most sensitive GRB detectors in operation, and the only one that regularly localizes GRBs to arcminute precision, critical to rapid follow-up studies. However, the utility of BAT in targeted subthreshold searches had been historically curtailed by the unavailability of the necessary raw data for analysis. The new availability of time-tagged event data from the GUANO system motivates a renewed focus on developing sensitive targeted search analysis techniques to maximally exploit these data. While computationally cheap, we show that the typical coded-mask deconvolution imaging is limited in its sensitivity due to several factors. We formalize a maximum likelihood framework for the analysis of BAT data wherein signals are forward modeled through the full instrument response, and—coupled with the development of new response models—demonstrate its superior sensitivity to typical imaging via archival comparisons, injection campaigns, and a large number of low-latency GRB discoveries and confirmed arcminute localizations to date. We also demonstrate independent localization of some out-of-field-of-view GRBs for the first time. NITRATES’s increased sensitivity boosts the discovery rate of GRB 170817A–like events in BAT by a factor of at least 3−4×, along with enabling joint analyses and searches with other GRB, GW, neutrino, and FRB instruments. We provide public access to the response functions and search pipeline code.

     
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  4. Abstract

    GW170817 is the only gravitational-wave event for which a confirmedγ-ray counterpart, GRB 170817A, has been detected. Here, we present a method to search for another type ofγ-ray signal, aγ-ray burst precursor, associated with a compact binary merger. If emitted shortly before the coalescence, a high-energy electromagnetic (EM) flash travels through a highly dynamical and relativistic environment, created by the two compact objects orbiting each other. Thus, the EM signal arriving at an Earth observer could present a somewhat predictable time-dependent modulation. We describe a targeted search method for light curves exhibiting such a modulation, parameterized by the observer-frame component masses and binary merger time, using Fermi-GBM data. The sensitivity of the method is assessed based on simulated signals added to GBM data. The method is then applied to a selection of potentially interesting compact binary mergers detected during the second (O2) and third (O3) observing runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo. We find no significant modulatedγ-ray precursor signal associated with any of the considered events.

     
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  5. Abstract

    Gamma-ray bursts (GRBs) have long been considered a possible source of high-energy neutrinos. While no correlations have yet been detected between high-energy neutrinos and GRBs, the recent observation of GRB 221009A—the brightest GRB observed by Fermi-GBM to date and the first one to be observed above an energy of 10 TeV—provides a unique opportunity to test for hadronic emission. In this paper, we leverage the wide energy range of the IceCube Neutrino Observatory to search for neutrinos from GRB 221009A. We find no significant deviation from background expectation across event samples ranging from MeV to PeV energies, placing stringent upper limits on the neutrino emission from this source.

     
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