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Title: Search for Gravitational Waves Emitted from SN 2023ixf
Abstract We present the results of a search for gravitational-wave transients associated with core-collapse supernova SN 2023ixf, which was observed in the galaxy Messier 101 via optical emission on 2023 May 19, during the LIGO–Virgo–KAGRA 15th Engineering Run. We define a five-day on-source window during which an accompanying gravitational-wave signal may have occurred. No gravitational waves have been identified in data when at least two gravitational-wave observatories were operating, which covered ∼14% of this five-day window. We report the search detection efficiency for various possible gravitational-wave emission models. Considering the distance to M101 (6.7 Mpc), we derive constraints on the gravitational-wave emission mechanism of core-collapse supernovae across a broad frequency spectrum, ranging from 50 Hz to 2 kHz, where we assume the gravitational-wave emission occurred when coincident data are available in the on-source window. Considering an ellipsoid model for a rotating proto-neutron star, our search is sensitive to gravitational-wave energy 1 × 10−4Mc2and luminosity 2.6 × 10−4Mc2s−1for a source emitting at 82 Hz. These constraints are around an order of magnitude more stringent than those obtained so far with gravitational-wave data. The constraint on the ellipticity of the proto-neutron star that is formed is as low as 1.08, at frequencies above 1200 Hz, surpassing past results.  more » « less
Award ID(s):
2309242 2409745 2110460 2450793 2309212 2012057 2409530 2438319 2409372 2011334 2308693 2319063 2207728 2309161 2110594 2409740 2110509 2309172 2408883 2207999
PAR ID:
10597133
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
The Astrophysical Journal
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
985
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
183
Format(s):
Medium: X
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National Science Foundation
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  1. Abstract Most observed neutron stars have masses around 1.4M, consistent with current formation mechanisms. To date, no subsolar-mass neutron star has been observed. Observing one would provide crucial constraints on the nuclear equation of state, unveil a new neutron star population, and advance understanding of their formation mechanisms. We present the first targeted search for tidally deformed subsolar-mass binary neutron stars (BNSs), with primary masses ranging from 0.1 to 2Mand secondary masses from 0.1 to 1M, using data from the third observing run of the Advanced LIGO and Virgo gravitational-wave detectors. We account for the tidal deformabilities of up toO(104) of these systems, as low-mass neutron stars are more easily distorted by their companions. Previous searches that neglect tidal deformability lose sensitivity to low-mass sources, potentially missing more than ∼30% of detectable signals from a system with a chirp mass of 0.6Mbinaries. No statistically significant detections were made. In the absence of a detection, we place a 90% confidence upper limit on the local merger rate for subsolar BNSs, constraining it to be <6.4 × 104Gpc−3yr−1for a chirp mass of 0.2Mand <2.2 × 103Gpc−3yr−1for 0.7M. With future upgrades to detector sensitivity, development of next-generation detectors, and ongoing improvements in search pipelines, constraints on the minimum mass of neutron stars will improve, providing the potential to constrain the nuclear equation of state, reveal new insights into neutron star formation channels, and potentially identify new classes of stars. 
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  3. Abstract On 2025 August 18, the LIGO–Virgo–KAGRA collaboration reported a subthreshold gravitational-wave candidate detection consistent with a subsolar-mass neutron star merger, denoted S250818k. An optical transient, AT2025ulz, was discovered within the localization region. AT2025ulz initially appeared to meet the expected behavior of kilonova emission, the telltale signature of a binary neutron star merger. The transient subsequently rebrightened after ∼5 days and was classified as a Type IIb supernova. In this work, we analyze the observations of its host galaxy obtained by the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). From the DESI spectrum, we obtain a secure redshift ofz = 0.084840 ± 0.000006. If S250818k has an astrophysical origin, this places the transient within 2σof the gravitational-wave distance and results in an integral overlap between the gravitational-wave alert and the transient location of log10 I3.94.2 . Our analysis of the host galaxy’s spectral energy distribution reveals a star-forming, dusty galaxy with stellar mass ∼1010M, broadly consistent with the population of both short gamma-ray bursts and core-collapse supernova host galaxies. We also present our follow-up of DESI-selected candidate host galaxies using the Fraunhofer Telescope at the Wendelstein Observatory, and show the promise of DESI for associating or rejecting candidate electromagnetic counterparts to gravitational-wave alerts. These results emphasize the value of DESI’s extensive spectroscopic dataset in rapidly characterizing host galaxies, enabling spectroscopic host subtraction, and guiding targeted follow-up. 
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  4. Abstract The existence of compact stellar remnants in the mass range 2–5Mhas long been debated. This so-called lower-mass gap (LMG) was initially suggested by the lack of low-mass X-ray binary observations with accretors about 2–5M, but it has recently been called into question following newer observations, including an LMG candidate with a millisecond pulsar (MSP) companion in the dense globular cluster NGC 1851. Here, we model NGC 1851 with a grid of similar dense star clusters utilizing the state-of-the-art Monte CarloN-body code Cluster Monte Carlo, and we specifically study the formation of LMG black holes (BHs). We demonstrate that both massive star evolution and dynamical interactions can contribute to forming LMG BHs. In general, the collapse of massive remnants formed through mergers of neutron stars (NSs) or massive white dwarfs produces the largest number of LMG BHs among all formation channels. However, in more massive clusters, supernova core collapse can contribute comparable numbers. Our NGC 1851-like models can reproduce MSP—LMG BH binaries similar to the observed system. Additionally, the LMG BHs can also become components of dynamically assembled binaries, and some will be in merging BH–NS systems similar to the recently detected gravitational wave source GW230529. However, the corresponding merger rate is probably ≲1 Gpc−3yr−1
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  5. Abstract Although stable neutron stars (NSs) can in principle exist down to massesMns≈ 0.1M, standard models of stellar core-collapse predict a robust lower limitMns≳ 1.2M, roughly commensurate with the Chandrasekhar massMChof the progenitor’s iron core (electron fractionYe≈ 0.5). However, this limit may be circumvented in sufficiently dense neutron-rich environments (Ye< 0.5) for which MCh Ye2 is reduced to ≲1M. Such physical conditions could arise in the black hole accretion disks formed from the collapse of rapidly rotating stars (“collapsars”), as a result of gravitational instabilities and cooling-induced fragmentation, similar to models for planet formation in protostellar disks. We confirm that the conditions to form subsolar-mass NS (ssNS) may be marginally satisfied in the outer regions of massive neutrino-cooled collapsar disks. If the disk fragments into multiple ssNSs, their subsequent coalescence offers a channel for precipitating subsolar mass LIGO/Virgo gravitational-wave mergers that does not implicate primordial black holes. The model makes several additional predictions: (1) ∼Hz frequency Doppler modulation of the ssNS-merger gravitational-wave signals due to the binary’s orbital motion in the disk; (2) at least one additional gravitational-wave event (coincident within ≲hours), from the coalescence of the ssNS-merger remnant(s) with the central black hole; (3) an associated gamma-ray burst and supernova counterpart, the latter boosted in energy and enriched withr-process elements from the NS merger(s) embedded within the exploding stellar envelope (“kilonovae inside a supernova”). 
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