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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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NSF-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

    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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  2. 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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  3. ABSTRACT We present a low-frequency (170–200 MHz) search for prompt radio emission associated with the long GRB 210419A using the rapid-response mode of the Murchison Widefield Array (MWA), triggering observations with the Voltage Capture System for the first time. The MWA began observing GRB 210419A within 89 s of its detection by Swift, enabling us to capture any dispersion delayed signal emitted by this gamma-ray burst (GRB) for a typical range of redshifts. We conducted a standard single pulse search with a temporal and spectral resolution of $100\, \mu$s and 10 kHz over a broad range of dispersion measures from 1 to $5000\, \text{pc}\, \text{cm}^{-3}$, but none were detected. However, fluence upper limits of 77–224 Jy ms derived over a pulse width of 0.5–10 ms and a redshift of 0.6 < z < 4 are some of the most stringent at low radio frequencies. We compared these fluence limits to the GRB jet–interstellar medium interaction model, placing constraints on the fraction of magnetic energy (ϵB ≲ [0.05–0.1]). We also searched for signals during the X-ray flaring activity of GRB 210419A on minute time-scales in the image domain and found no emission, resulting in an intensity upper limit of $0.57\, \text{Jy}\, \text{beam}^{-1}$, corresponding to a constraint of ϵB ≲ 10−3. Our non-detection could imply that GRB 210419A was at a high redshift, there was not enough magnetic energy for low-frequency emission, or the radio waves did not escape from the GRB environment. 
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  4. ABSTRACT We report on detailed multiwavelength observations and analysis of the very bright and long GRB 210619B, detected by the Atmosphere-Space Interactions Monitor installed on the International Space Station and the Gamma-ray Burst Monitor (GBM) on-board the Fermi mission. Our main goal is to understand the radiation mechanisms and jet composition of GRB 210619B. With a measured redshift of z = 1.937, we find that GRB 210619B falls within the 10 most luminous bursts observed by Fermi so far. The energy-resolved prompt emission light curve of GRB 210619B exhibits an extremely bright hard emission pulse followed by softer/longer emission pulses. The low-energy photon index (αpt) values obtained using the time-resolved spectral analysis of the burst suggest a transition between the thermal (during harder pulse) to non-thermal (during softer pulse) outflow. We examine the correlation between spectral parameters and find that both peak energy and αpt exhibit the flux tracking pattern. The late time broad-band photometric data set can be explained within the framework of the external forward shock model with νm < νc < νx (where νm, νc, and νx are the synchrotron peak, cooling-break, and X-ray frequencies, respectively) spectral regime supporting a rarely observed hard electron energy index (p < 2). We find moderate values of host extinction of E(B − V) = 0.14 ± 0.01 mag for the small magellanic cloud extinction law. In addition, we also report late-time optical observations with the 10.4 m Gran Telescopio de Canarias placing deep upper limits for the host galaxy (z = 1.937), favouring a faint, dwarf host for the burst. 
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  5. Abstract Many gamma-ray bursts (GRBs) have been observed from radio wavelengths, and a few at very high energies (VHEs, >100 GeV). The High Altitude Water Cherenkov (HAWC) gamma-ray observatory is well suited to study transient phenomena at VHEs owing to its large field of view and duty cycle. These features allow for searches of VHE emission and can probe different model assumptions of duration and spectra. In this paper, we use data collected by HAWC between 2014 December and 2020 May to search for emission in the energy range from 80 to 800 GeV coming from a sample of 47 short GRBs that triggered the Fermi, Swift, and Konus satellites during this period. This analysis is optimized to search for delayed and extended VHE emission within the first 20 s of each burst. We find no evidence of VHE emission, either simultaneous or delayed, with respect to the prompt emission. Upper limits (90% confidence level) derived on the GRB fluence are used to constrain the synchrotron self-Compton forward-shock model. Constraints for the interstellar density as low as 10 −2 cm −3 are obtained when assuming z = 0.3 for bursts with the highest keV fluences such as GRB 170206A and GRB 181222841. Such a low density makes observing VHE emission mainly from the fast-cooling regime challenging. 
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