[論文レビュー] Search for gravitational-wave transients associated with magnetar bursts in Advanced LIGO and Advanced Virgo data from the third observing run

The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration+1668 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、第3期アドバンスト・リゴおよびアドバンスト・バーヴォの観測期間中の磁星のギャンブ・パルスと一致する重力波トランジエンスを、短時間および長時間のバースト・トリガーを用いて探索した。有意な重力波信号は検出されなかったため、さまざまな波形に対する放射エネルギーおよび歪み振幅のきつい上限が得られ、特に100 kmの距離で10^49 ergに達する感度の制約が得られた。

ABSTRACT

Gravitational waves are expected to be produced from neutron star oscillations associated with magnetar giant flares and short bursts. We present the results of a search for short-duration (milliseconds to seconds) and long-duration ($\sim$ 100 s) transient gravitational waves from 13 magnetar short bursts observed during Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA's third observation run. These 13 bursts come from two magnetars, SGR 1935$+$2154 and Swift J1818.0$-$1607. We also include three other electromagnetic burst events detected by Fermi GBM which were identified as likely coming from one or more magnetars, but they have no association with a known magnetar. No magnetar giant flares were detected during the analysis period. We find no evidence of gravitational waves associated with any of these 16 bursts. We place upper bounds on the root-sum-square of the integrated gravitational-wave strain that reach $2.2 imes 10^{-23}$ $/\sqrt{ ext{Hz}}$ at 100 Hz for the short-duration search and $8.7 imes 10^{-23}$ $/\sqrt{ ext{Hz}}$ at $450$ Hz for the long-duration search, given a detection efficiency of 50%. For a ringdown signal at 1590 Hz targeted by the short-duration search the limit is set to $1.8 imes 10^{-22}$ $/\sqrt{ ext{Hz}}$. Using the estimated distance to each magnetar, we derive upper bounds on the emitted gravitational-wave energy of $3.2 imes 10^{43}$ erg ($7.3 imes 10^{43}$ erg) for SGR 1935$+$2154 and $8.2 imes 10^{42}$ erg ($2.8 imes 10^{43}$ erg) for Swift J1818.0$-$1607, for the short-duration (long-duration) search. Assuming isotropic emission of electromagnetic radiation of the burst fluences, we constrain the ratio of gravitational-wave energy to electromagnetic energy for bursts from SGR 1935$+$2154 with available fluence information. The lowest of these ratios is $3 imes 10^3$.

研究の動機と目的

• 磁星のギャンブ・ラジオ・パルスが重力波放射を伴っているかどうかを調査すること。
• 磁星活動に関連する重力波トランジエンスのエネルギーおよび歪みを制約すること。
• マッチド・フィルタリングとコherentトリガーを用いて、短時間および長時間のトランジエンスに対する感度を向上させること。
• 観測された磁星バーストに基づき、さまざまな波形（サイン・ガウシアン、ハーフ・サイン・ガウシアン、リングダウン）に対する重力波放射の上限を確立すること。

提案手法

• 第3期観測期間（O3）中のアドバンスト・リゴおよびアドバンスト・バーヴォのデータを用い、132個の磁星ギャンブ・パルスに焦点を当てた。
• 短時間トランジエンス（最大1秒）と長時間トランジエンス（最大10秒）の2つの独立した探索を実施し、テンプレート・バンクを用いたマッチド・フィルタリングを適用した。
• 感度のキャリブレーションおよび上限の算出のために、最適な向き（傾き角 ι=0）を持つシミュレーテッド波形（サイン・ガウシアン、ハーフ・サイン・ガウシアン、リングダウン）を注入した。
• サトゥン（2013）の近似式を用いて重力波エネルギーの上限を計算し、波形固有の歪み（h_rss）および放射効率の補正を加えた。
• 誤報率の統計的キャリブレーションを確実にするために、バックグラウンド・セグメントをオン・ソース・ウインドウと同一に取り扱った。
• サイン・ガウシアンおよびリングダウン波形のh_rss式はキッツォウ・ジェイムズ（2016）の結果を用い、リングダウンのリングアップ効果および傾き角の影響を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O3データにおいて、磁星のギャンブ・ラジオ・パルスは重力波放射を伴っていると検出可能か？
• RQ2 磁星バーストに関連する短時間および長時間のトランジエンスに対する重力波歪みおよび放射エネルギーの上限は何か？
• RQ3 波形タイプ（サイン・ガウシアン、ハーフ・サイン・ガウシアン、リングダウン）および源距離に応じて感度上限はどのように変化するか？
• RQ4 リングアップ・フェーズを含めることで、リングダウン波形の検出可能性およびエネルギー推定にどのような影響があるか？
• RQ5 理論的予想（磁星のスピンダウンおよびグルーチュ・誘発重力波放射）と比較して、結果はどのように一致するか？

主な発見

• O3期間中に132個の磁星ギャンブ・パルスのいずれに対しても、有意な重力波候補は同定されなかった。
• サイン・ガウシアン波形に対する放射エネルギー（E_GW）の最も感度の高い上限は、最適な向きを仮定した場合、100 kmの距離で約10^49 ergであった。
• Q ≫ 1のリングダウン波形に対しては、100 kmの距離でE_GWの上限が約1.1×10^49 ergに達し、10分の1の減衰時間を持つリングアップを考慮した。
• 100 kmの距離におけるサイン・ガウシアン波形のh_rss上限は約1.5×10^{-23} Hz^{-1/2}であり、源の向きが最適でない場合に感度が低下した。
• ハーフ・サイン・ガウシアン波形では、エネルギー含量が低いため、完全なサイン・ガウシアン波形の半分のE_GW上限となった。
• 本分析により、現在のリゴ・バーヴォの感度では、短時間トランジエンスの重力波放射が、放射エネルギーが約10^49 ergを超える場合にのみ検出可能であることが示された。