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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.  more » « less
Award ID(s):
2308693 2011608 2207728 2011786 2308881 2207999 2309242 2110060 2110594 2110509 2110360 2309172 2012057 2308833 2103662
PAR ID:
10510719
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
;
Publisher / Repository:
Institute of Physics
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
964
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
149
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract We present results from a search for X-ray/gamma-ray counterparts of gravitational-wave (GW) candidates from the third observing run (O3) of the LIGO–Virgo–KAGRA network using the Swift Burst Alert Telescope (Swift-BAT). The search includes 636 GW candidates received with low latency, 86 of which have been confirmed by the offline analysis and included in the third cumulative Gravitational-Wave Transient Catalogs (GWTC-3). Targeted searches were carried out on the entire GW sample using the maximum-likelihood Non-imaging Transient Reconstruction and Temporal Search pipeline on the BAT data made available via the GUANO infrastructure. We do not detect any significant electromagnetic emission that is temporally and spatially coincident with any of the GW candidates. We report flux upper limits in the 15–350 keV band as a function of sky position for all the catalog candidates. For GW candidates where the Swift-BAT false alarm rate is less than 10−3Hz, we compute the GW–BAT joint false alarm rate. Finally, the derived Swift-BAT upper limits are used to infer constraints on the putative electromagnetic emission associated with binary black hole mergers. 
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  2. Abstract We introduce a new capability of the Neil Gehrels Swift Observatory, dubbed “continuous commanding,” that achieves 10 s latency response time on orbit to unscheduled target-of-opportunity requests received on the ground. We show that this will allow Swift to respond to premerger (early-warning) gravitational-wave (GW) detections, rapidly slewing the Burst Alert Telescope (BAT) across the sky to place the GW origin in the BAT field of view at or before merger time. This will dramatically increase the GW/gamma-ray burst (GRB) codetection rate and enable prompt arcminute localization of a neutron star merger. We simulate the full Swift response to a GW early-warning alert, including input sky maps produced at different early-warning times, a complete model of the Swift attitude control system, and a full accounting of the latency between the GW detectors and the spacecraft. 60 s of early warning can double the rate of a prompt GRB detection with arcminute localization, and 140 s guarantees observation anywhere on the unocculted sky, even with localization areas ≫1000 deg2. While 140 s is beyond current GW detector sensitivities, 30–70 s is achievable today. We show that the detection yield is now limited by the latency of LIGO/Virgo cyberinfrastructure and motivate a focus on its reduction. Continuous commanding has been integrated as a general capability of Swift, significantly increasing its versatility in response to the growing demands of time-domain astrophysics. We demonstrate this potential on an externally triggered fast radio burst (FRB), slewing 81° across the sky, and collecting X-ray and UV photons from the source position <150 s after the trigger was received from the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, thereby setting the earliest and deepest such constraints on high-energy activity from nonrepeating FRBs. The Swift Team invites the community to consider and propose novel scientific applications of ultra-low-latency UV, X-ray, and gamma-ray observations. 
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  3. 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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  4. Abstract Very few detections have been made of optical flashes contemporaneous with prompt high-energy emission from a gamma-ray burst (GRB). In this work, we present and analyze light curves of GRB-associated optical flashes and afterglows from the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Our sample consists of eight GRBs with arcsecond-level localizations from the X-Ray Telescope on board the Neil Gehrels Swift Observatory (Swift). For each burst, we characterize the prompt optical emission and any observed afterglow, and constrain physical parameters for four of these bursts using their TESS light curves. This work also presents a straightforward method to correct for TESS's cosmic-ray mitigation strategy on 20 s timescales, which allows us to estimate the “true” brightness of optical flashes associated with prompt GRB emission. We also highlight TESS’s continuous wide-field monitoring capability, which provides an efficient means of identifying optical emission from GRBs and characterizing early time afterglow light curves. Based on empirical detection rates from Swift and the Fermi Gamma-ray Space Telescope, up to 10 GRBs per year may fall within the contemporaneous TESS field of view. 
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  5. Abstract We present the results of a search for 10–1000 GeV neutrinos from 2268 gamma-ray bursts (GRBs) over 8 yr of IceCube-DeepCore data. This work probes burst physics below the photosphere where electromagnetic radiation cannot escape. Neutrinos of tens of giga electronvolts are predicted in sub-photospheric collision of free-streaming neutrons with bulk-jet protons. In a first analysis, we searched for the most significant neutrino-GRB coincidence using six overlapping time windows centered on the prompt phase of each GRB. In a second analysis, we conducted a search for a group of GRBs, each individually too weak to be detectable, but potentially significant when combined. No evidence of neutrino emission is found for either analysis. The most significant neutrino coincidence is for Fermi-GBM GRB bn 140807500, with ap-value of 0.097 corrected for all trials. The binomial test used to search for a group of GRBs had ap-value of 0.65 after all trial corrections. The binomial test found a group consisting only of GRB bn 140807500 and no additional GRBs. The neutrino limits of this work complement those obtained by IceCube at tera electronvolt to peta electronvolt energies. We compare our findings for the large set of GRBs as well as GRB 221009A to the sub-photospheric neutron-proton collision model and find that GRB 221009A provides the most constraining limit on baryon loading. For a jet Lorentz factor of 300 (800), the baryon loading on GRB 221009A is lower than 3.85 (2.13) at a 90% confidence level. 
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