[논문 리뷰] 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 Collaboration외 1668명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 20.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 제3차 고급 LIGO 및 고급 바이로 관측 런 동안 자성자 거대 펄스와 일치하는 중력파 순간변화를 짧은 및 긴 지속시간 버스트 트리거를 사용하여 탐색한다. 유의미한 중력파 신호는 탐지되지 않았으며, 다양한 웨이브폼에 대해 방출 에너지와 변형 진폭에 대한 엄격한 상한선을 설정하였다. 가장 민감한 제약 조건은 100 km 거리에서 10^49 에르그 수준에 도달하였다.

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 $3 imes 10^3$.

연구 동기 및 목표

• 자성자 거대 전파 펄스가 중력파 방출을 수반하는지 여부를 조사한다.
• 자성자 활동과 관련된 중력파 순간변화의 에너지 및 변형 진폭을 제약한다.
• 매칭 필터링과 코herent 트리거를 사용하여 짧고 긴 지속시간 순간변화에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 관측된 자성자 펄스 기반으로 다양한 웨이브폼(sine-Gaussian, half-sine-Gaussian, ringdown)에 대한 중력파 방출에 대한 상한선을 수립한다.

제안 방법

• 제3차 관측 런(O3) 동안 고급 LIGO 및 고급 바이로부터의 데이터를 사용하였으며, 132개의 자성자 거대 펄스에 집중하였다.
• 짧은 지속시간 순간변화(최대 1초)와 긴 지속시간 순간변화(최대 10초)를 위한 두 개의 독립적 탐색을 수행하였으며, 웨이브폼 템플릿 백을 사용한 매칭 필터링을 적용하였다.
• 최적의 방향(기울기 ι=0)으로 설정된 시뮬레이션 웨이브폼(sine-Gaussian, half-sine-Gaussian, ringdown)을 주입하여 민감도를 校정하고 상한선을 계산하였다.
• Sutton(2013)의 근사식을 사용하여 중력파 에너지 상한선을 계산하였으며, 웨이브폼 특화 변형 진폭(h_rss)과 방사 효율에 대한 보정을 적용하였다.
• 백그라운드 세그먼트를 온소스 윈도우와 동일하게 처리하여 거짓 경고율의 통계적 보수성 있는 校정을 확보하였다.
• sine-Gaussian 및 ringdown 웨이브폼에 대해 Quitzow-James(2016)에서 유도한 h_rss 표현식을 사용하였으며, ringdown의 경우 기울기 각도와 리딩업 효과를 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 O3 데이터에서 자성자 거대 전파 펄스는 중력파 방출을 감지할 수 있는가?
• RQ2 자성자 펄스와 연관된 짧고 긴 지속시간 순간변화에 대한 중력파 변형 진폭과 방출 에너지의 상한선은 무엇인가?
• RQ3 웨이브폼 유형(sine-Gaussian, half-sine-Gaussian, ringdown)과 소스 거리에 따라 민감도 상한선는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 리딩업 단계를 포함할 경우 ringdown 웨이브폼의 감지 가능성과 에너지 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이론적 예측(자성자 스핀다운 및 겔치 유도 중력파 방출)과 결과는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• O3 기간 동안 132개의 자성자 거대 펄스 중 어느 하나와도 일치하는 유의미한 중력파 후보자는 발견되지 않았다.
• 최적의 방향을 가정할 경우, sine-Gaussian 웨이브폼에 대한 방출 에너지(E_GW)의 가장 민감한 상한선은 100 km 거리에서 약 10^49 에르그이다.
• Q ≫ 1인 ringdown 웨이브폼의 경우, 1/10 감쇠 시간 리딩업을 고려하여 100 km 거리에서 E_GW 상한선은 약 1.1×10^49 에르그이다.
• 100 km 거리에서 sine-Gaussian 웨이브폼의 h_rss 상한선은 약 1.5×10^{-23} Hz^{-1/2}이며, 비최적의 소스 방향에서는 민감도가 감소한다.
• half-sine-Gaussian 웨이브폼의 경우, 에너지 함량이 감소함에 따라 전체 sine-Gaussian에 비해 E_GW 상한선이 절반 수준이다.
• 분석 결과, 현재 LIGO-Virgo 민감도는 짧은 지속시간 순간변화에 대해 방출 에너지가 약 10^49 에르그를 초과하는 경우에만 자성자 펄스에서 유래하는 중력파 방출을 감지할 수 있음을 보여주었다.