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Title: A Search Using GEO600 for Gravitational Waves Coincident with Fast Radio Bursts from SGR 1935+2154
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.  more » « less
Award ID(s):
2409740 2408883 2308693 2409745 2110460 2207999 2309242 2450793 2309212 1912598 2012057 2309172 2409530 2438319 2319063 2207728
PAR ID:
10561271
Author(s) / Creator(s):
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Publisher / Repository:
DOI PREFIX: 10.3847
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
977
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Format(s):
Medium: X Size: Article No. 255
Size(s):
Article No. 255
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. Abstract The most common form of magnetar activity is short X-ray bursts, with durations from milliseconds to seconds, and luminosities ranging from 1036–1043erg s−1. Recently, an X-ray burst from the galactic magnetar SGR 1935+2154 was detected to be coincident with two fast radio burst (FRB) like events from the same source, providing evidence that FRBs may be linked to magnetar bursts. Using fully 3D force-free electrodynamics simulations, we show that such magnetar bursts may be produced by Alfvén waves launched from localized magnetar quakes: a wave packet propagates to the outer magnetosphere, becomes nonlinear, and escapes the magnetosphere, forming an ultra-relativistic ejecta. The ejecta pushes open the magnetospheric field lines, creating current sheets behind it. Magnetic reconnection can happen at these current sheets, leading to plasma energization and X-ray emission. The angular size of the ejecta can be compact, ≲1 sr if the quake launching region is small, ≲0.01 sr at the stellar surface. We discuss implications for the FRBs and the coincident X-ray burst from SGR 1935+2154. 
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  2. null (Ed.)
    ABSTRACT The origin of fast radio bursts (FRBs) still remains a mystery, even with the increased number of discoveries in the last 3 yr. Growing evidence suggests that some FRBs may originate from magnetars. Large, single-dish telescopes such as Arecibo Observatory (AO) and Green Bank Telescope (GBT) have the sensitivity to detect FRB 121102-like bursts at gigaparsec distances. Here, we present searches using AO and GBT that aimed to find potential radio bursts at 11 sites of past gamma-ray bursts that show evidence for the birth of a magnetar. We also performed a search towards GW170817, which has a merger remnant whose nature remains uncertain. We place $$10\sigma$$ fluence upper limits of ≈0.036 Jy ms at 1.4 GHz and ≈0.063 Jy ms at 4.5 GHz for the AO data and fluence upper limits of ≈0.085 Jy ms at 1.4 GHz and ≈0.098 Jy ms at 1.9 GHz for the GBT data, for a maximum pulse width of ≈42 ms. The AO observations had sufficient sensitivity to detect any FRB of similar luminosity to the one recently detected from the Galactic magnetar SGR 1935+2154. Assuming a Schechter function for the luminosity function of FRBs, we find that our non-detections favour a steep power-law index (α ≲ −1.1) and a large cut-off luminosity (L0 ≳ 1041 erg s−1). 
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  3. 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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  4. ABSTRACT Fast radio bursts (FRBs) are short-duration radio pulses of cosmological origin. Among the most common sources predicted to explain this phenomenon are bright pulses from a class of extremely highly magnetized neutron stars known as magnetars. Motivated by the discovery of an FRB-like pulse from the Galactic magnetar SGR 1935+2154, we searched for similar events in Messier 82 (M82). With a star formation rate 40 times that of the Milky Way, one might expect that the implied rate of events similar to that seen from SGR 1935+2154 from M82 should be 40 times higher than that of the Milky Way. We observed M82 at 1.4 GHz with the 20-m telescope at the Green Bank Observatory for 34.8 d. While we found many candidate events, none had a signal-to-noise ratio greater than 8. We also show that there are insufficient numbers of repeating low-significance events at similar dispersion measures to constitute a statistically significant detection. From these results, we place an upper bound for the rate of radio pulses from M82 to be 30 yr−1 above a fluence limit of 8.5 Jy ms. While this is less than nine times the rate of radio bursts from magnetars in the Milky Way inferred from the previous radio detections of SGR 1935+2154, it is possible that propagation effects from interstellar scattering are currently limiting our ability to detect sources in M82. Further searches of M82 and other nearby galaxies are encouraged to probe this putative FRB population. 
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  5. 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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