LIGO-Virgo Searches for Gravita5onal- Waves Associated with - - PowerPoint PPT Presentation

LIGO-­‑Virgo ¡Searches ¡for ¡Gravita5onal-­‑ Waves ¡Associated ¡with ¡GRBs ¡

Patrick ¡J. ¡SuCon ¡ Cardiff ¡University ¡

for ¡the ¡LIGO ¡Scien0fic ¡Collabora0on ¡ and ¡the ¡Virgo ¡Collabora0on ¡

LIGO-­‑G1200599-­‑v2 ¡

GWs ¡as ¡Astrophysical ¡Probes ¡

• GWs ¡trace ¡the ¡bulk ¡

mo0on ¡of ¡their ¡source ¡

– non-­‑imaging ¡ – not ¡scaIered ¡/ ¡absorbed. ¡

• GW ¡detectors ¡are ¡all-­‑sky, ¡

low ¡bandwidth. ¡

– archival ¡searches: ¡easy. ¡ – source ¡localiza0on: ¡hard. ¡

• Complementary ¡to ¡
• bserva0ons ¡with ¡
• photons. ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 2 ¡

10

2

10

3

10

−23

10

−22

10

−21

10

−20

10

−19

frequency [Hz] amplitude spectral density (Hz−1/2) Virgo VSR3 2010-10-07 Virgo VSR2 2009-11-01 LIGO Livingston 2010-05-31 LIGO Hanford 2010-05-15

GW ¡Detectors: ¡2009-­‑2010 ¡Run ¡

• LIGO’s ¡typical ¡range ¡for ¡

binary ¡coalescences: ¡

– NS ¡– ¡NS: ¡20 ¡Mpc ¡ ¡ – NS ¡– ¡BH: ¡40 ¡Mpc ¡ ¡ – Virgo: ¡about ¡half ¡that ¡

• Expect ¡detec0ons ¡< ¡1 ¡yr-­‑1. ¡ ¡
• Currently ¡being ¡upgraded ¡

to ¡advanced ¡detectors ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (c. ¡2015-­‑2020). ¡

– 10 ¡x ¡distance ¡sensi0vity ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 3 ¡

Abadie ¡et ¡al., ¡arXiv:1111.7314 ¡ Abadie ¡et ¡al., ¡arXiv:1003.2480 ¡

GRB-­‑Triggered ¡Searches ¡

• Use ¡0me ¡& ¡sky ¡posi0on ¡from ¡GRB ¡satellites ¡for ¡focussed, ¡sensi0ve ¡

GW ¡search. ¡

– Up ¡to ¡2 ¡x ¡distance ¡reach. ¡ – Triggers ¡mostly ¡from ¡Swif, ¡Fermi, ¡few ¡IPN. ¡ – 2009-­‑2010 ¡run: ¡154 ¡GRBs, ¡no ¡detec0ons ¡(Abadie ¡et ¡al. ¡1205.2216). ¡ – Currently ¡analyzing ¡remaining ¡IPN-­‑only ¡triggers ¡from ¡2005-­‑2010. ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 4 ¡

Short ¡GRBs ¡

• Merger ¡of ¡NS-­‑NS ¡or ¡NS-­‑BH ¡

binary ¡(probably). ¡

• Strong, ¡well-­‑modelled ¡GW ¡
• emission. ¡

– e.g. ¡Blanchet, ¡LRR ¡2006 ¡

• Matched-­‑filter ¡search ¡for ¡

GW ¡“chirp” ¡in ¡[-­‑5,+1] ¡sec ¡ window ¡around ¡GRB ¡0me. ¡

5 ¡

t H L

J ¡Read ¡/ ¡YITP ¡(in ¡prep) ¡

0me ¡ strain ¡

LIGO-­‑Virgo: ¡Short ¡GRB ¡Distance ¡Limits ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 6 ¡

10

−1

10 10

1

10

2

1 2 3 4 5 6 7 8 exclusion distance (Mpc) number of GRBs NS-NS NS-BH

NS-­‑BH ¡

From ¡matched-­‑filter ¡ binary ¡search, ¡ 2009-­‑2010 ¡run ¡ Abadie ¡et ¡al. ¡1205.2216 ¡ Limits ¡assume ¡30° ¡jet. ¡

NS-­‑NS ¡

10

−3

10

−2

10

−1

10 10

1

10

−2

10

−1

10 redshift Cumulative distribution NS-NS exclusion NS-BH exclusion NS-NS extrapolation NS-BH extrapolation EM observations ∼400 Mpc ∼40 Mpc

10 ¡x ¡sensi0vity ¡ 5 ¡x ¡# ¡of ¡GRBs ¡

• bserved ¡short ¡

GRB ¡redshifs ¡ (Dietz ¡2011) ¡

Short ¡GRBs, ¡Redux ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 7 ¡

Extrapola7on ¡ to ¡2015-­‑2020 ¡ Limits ¡from ¡ 2009-­‑2010 ¡data ¡

Abadie ¡et ¡al. ¡1205.2216 ¡

Long ¡GRBs ¡

• Magnetar ¡scenario: ¡

– bar ¡mode ¡instability ¡

(Shibata ¡et ¡al., ¡2003) ¡

– core ¡fragmenta0on ¡

(Davies ¡et ¡al., ¡2002; ¡ Kobayashi ¡& ¡Mészáros ¡‘03) ¡

• Black ¡hole ¡+ ¡disk ¡scenario: ¡

– disk ¡fragmenta0on ¡(Piro ¡

& ¡Pfahl, ¡2007) ¡

– disk ¡precession ¡(Romero ¡

et ¡al., ¡2010) ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 8 ¡

• GW ¡emission ¡uncertain: ¡10-­‑8 ¡M ¡(galac0c ¡range) ¡to ¡ ¡

¡10-­‑2 ¡M ¡(≈10 ¡Mpc) ¡

              

wide ¡range ¡of ¡ γ ¡– ¡GW ¡delays ¡

(Was ¡2011 ¡[PhD]) ¡

Long ¡GRBs ¡

• Magnetar ¡scenario: ¡

– bar ¡mode ¡instability ¡

(Shibata ¡et ¡al., ¡2003) ¡

– core ¡fragmenta0on ¡

(Davies ¡et ¡al., ¡2002; ¡ Kobayashi ¡& ¡Mészáros ¡‘03) ¡

• Black ¡hole ¡+ ¡disk ¡scenario: ¡

– disk ¡fragmenta0on ¡(Piro ¡

& ¡Pfahl, ¡2007) ¡

– disk ¡precession ¡(Romero ¡

et ¡al., ¡2010) ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 9 ¡

• GW ¡emission ¡uncertain: ¡10-­‑8 ¡M ¡(galac0c ¡range) ¡to ¡ ¡

¡10-­‑2 ¡M ¡(≈10 ¡Mpc) ¡

GRBs ¡highly ¡beamed ¡(≈5°): ¡ circularly ¡polarized ¡GW ¡

• emission. ¡

NASA ¡

GW ¡Burst ¡Search ¡(all ¡GRBs) ¡

• Coherent ¡excess-­‑power ¡search ¡for ¡generic ¡circularly ¡polarized ¡

GWs ¡in ¡[-­‑600,+60] ¡sec ¡window ¡around ¡GRB. ¡

– 64 ¡-­‑ ¡500 ¡Hz ¡ – Run ¡on ¡both ¡long ¡& ¡short ¡GRBs. ¡ – 2009-­‑2010 ¡run: ¡preliminary ¡burst ¡search ¡results ¡in ¡hours ¡– ¡day. ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 10 ¡

10

−1

10 10

1

10

2

5 10 15 20 25 30 35 40 45 exclusion distance (Mpc) number of GRBs CSG 150Hz CSG 300Hz

Burst ¡Exclusion ¡Distances ¡(all ¡GRBs) ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 11 ¡

150 ¡Hz ¡

AbboI ¡et ¡al ¡ApJ ¡(2010) ¡

¡ ¡ ¡ ¡Assumes ¡10-­‑2 ¡M ¡ in ¡GW ¡in ¡small ¡ frequency ¡band, ¡ ¡ 5° ¡jet. ¡

Abadie ¡et ¡al., ¡ ¡ 1205.2216 ¡ 300 ¡Hz ¡

10

−3

10

−2

10

−1

10 10

1

10

−3

10

−2

10

−1

10 redshift Cumulative distribution 10−2M⊙c2 exclusion 10−4M⊙c2 extrapolation 10−2M⊙c2 extrapolation EM observations ∼40 Mpc ∼400 Mpc

10 ¡x ¡sensi0vity ¡ 5 ¡x ¡# ¡of ¡GRBs ¡

• bserved ¡ ¡

GRB ¡redshifs ¡ (Jakobsson ¡et ¡al. ¡ 2006, ¡2012) ¡

GW ¡Bursts: ¡Future ¡Prospects ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 12 ¡

Extrapola7on ¡ to ¡2015-­‑2020 ¡ Limits ¡from ¡ 2009-­‑2010 ¡data ¡

Abadie ¡et ¡al. ¡1205.2216 ¡

• Localiza0on ¡overlaps ¡M81 ¡at ¡3.6 ¡Mpc. ¡
• No ¡GW ¡signal ¡observed. ¡

– Exclude ¡binary ¡ progenitor ¡as ¡ func0on ¡of ¡

• pening ¡angle ¡

– Best ¡burst ¡limit ¡ ≈1051 ¡erg ¡(does ¡ not ¡constrain ¡SGR ¡ progenitor). ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 13 ¡

Abadie ¡et ¡al. ¡1201.4413 ¡

GRB ¡051103 ¡

13 ¡

NS-­‑NS ¡98% ¡ NS-­‑BH ¡>99% ¡

New ¡direc0ons ¡

• Use ¡high-­‑energy ¡neutrinos ¡(HENs) ¡detected ¡by ¡ANTARES, ¡

IceCube ¡in ¡place ¡of ¡GRB ¡triggers ¡

– HENs: ¡precursor, ¡prompt, ¡aferglow ¡phases. ¡ – possible ¡detec0on ¡of ¡choked/dark ¡GRBs. ¡ – Adrian-­‑Mar{nez ¡et ¡al. ¡1205.3018 ¡

• Long-­‑dura0on ¡GW ¡bursts ¡(10 ¡− ¡1000 ¡s) ¡

– secular ¡instability ¡in ¡proto ¡neutron ¡star ¡ – R-­‑modes ¡ – accre0on ¡disk ¡instability ¡ – (Corsi ¡& ¡Meszaros ¡2009, ¡Thrane ¡et ¡al. ¡2011) ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 14 ¡

Future ¡Prospects ¡

• Advanced ¡detectors ¡may ¡

detect ¡GW ¡associated ¡with ¡

• GRBs. ¡

– Confirm ¡or ¡rule ¡out ¡ progenitor ¡models. ¡ – Measure ¡Hubble ¡ constant, ¡distance ¡-­‑ redshif ¡rela0on ¡ – Tests ¡of ¡GR, ¡e.g. ¡speed ¡of ¡ GWs ¡to ¡∆v/c ¡≈ ¡10−16. ¡ ¡

• Prospects ¡are ¡strongly ¡

dependent ¡on ¡having ¡GRB ¡ satellites! ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 15 ¡

SwiS ¡

You ¡want ¡some ¡more? ¡

• PaIern ¡of ¡chirp ¡tells ¡us ¡

chirp ¡mass ¡(≈0.01%) ¡

• May ¡measure ¡BH ¡spin. ¡
• Constrain ¡beaming ¡angle ¡

from ¡frac0on ¡of ¡GW ¡ detec0ons ¡coincident ¡with ¡

• SGRBs. ¡

What ¡will ¡advanced ¡detectors ¡tell ¡us? ¡

• A ¡characteris0c ¡“chirp” ¡GW ¡

coincident ¡with ¡short ¡GRB: ¡

• Smoking ¡gun ¡proof ¡for ¡a ¡

binary ¡progenitor! ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 17 ¡

Finn ¡& ¡Chernoff, ¡PRD ¡ ¡47, ¡2198 ¡(1993) ¡

t H L

J ¡Read ¡/ ¡YITP ¡

GWs ¡+ ¡GRBs ¡= ¡cosmology ¡

• Binaries ¡are ¡“standard ¡

sirens” ¡(candles) ¡

– GW ¡amplitude ¡gives ¡ luminosity ¡distance ¡ (≈10%) ¡if ¡GRB ¡observed. ¡

• Side-­‑step ¡cosmological ¡

distance ¡ladder. ¡

– Measure ¡H0 ¡with ¡to ¡13% ¡ (5%) ¡with ¡4 ¡(15) ¡GW-­‑GRB ¡

• detec0ons. ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 18 ¡

Schutz, ¡B. ¡F. ¡1986, ¡Nature, ¡323, ¡310 ¡ Nissanke ¡et ¡al., ¡ApJ ¡725 ¡496–514 ¡(2010) ¡ inclina0on-­‑distance ¡degeneracy ¡ from ¡Nissanke ¡et ¡al. ¡(2010) ¡

• Low-­‑latency ¡GW ¡analysis ¡for ¡quick ¡alert ¡release. ¡
• BeIer ¡modeling ¡of ¡effects ¡of ¡black-­‑hole ¡spin ¡on ¡GW ¡signal. ¡ ¡
• BeIer ¡modeling ¡of ¡possible ¡GW ¡emission ¡from ¡long ¡GRBs, ¡

including ¡range ¡of ¡possible ¡γ ¡-­‑ ¡GW ¡– ¡neutrino ¡delays. ¡

Challenges ¡for ¡GRB ¡Science ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 19 ¡

SwiS ¡

• Need ¡satellites ¡for ¡GRB ¡detec0on! ¡ ¡ ¡

– Short ¡GRBs ¡par0cularly ¡hard ¡to ¡see ¡in ¡ EM: ¡lower ¡fluence, ¡spectrum ¡peaked ¡ at ¡higher ¡energy ¡than ¡op0mal ¡for ¡ Swif-­‑BAT, ¡Fermi-­‑GBM ¡instruments. ¡ ¡ ¡ – Nearby ¡low-­‑luminosity ¡GRB ¡ popula0on ¡especially ¡interes0ng ¡for ¡ generic ¡GW ¡“burst” ¡searches. ¡

Case ¡study: ¡GW ¡100916, ¡“The ¡Big ¡Dog” ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 20 ¡

Sky ¡map ¡reconstructed ¡ by ¡online ¡processor ¡ (>130 ¡sq ¡deg) ¡ Binary ¡signal ¡detected ¡in ¡ LIGO-­‑Virgo ¡network ¡on ¡ 16 ¡Sept ¡2010 ¡

The ¡Big ¡Dog: ¡EM ¡Follow-­‑up ¡

28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 21 ¡

Partner ¡telescopes ¡pointed ¡at ¡ nearby ¡galaxies ¡(<50 ¡Mpc) ¡ ¡-­‑ ¡ROTSE, ¡TAROT, ¡QUEST, ¡Zadko, ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡SkyMapper, ¡Liverpool, ¡SwiS ¡

No ¡significant ¡EM ¡transients ¡seen ¡ in ¡preliminary ¡analysis. ¡ March ¡2011: ¡Big ¡Dog ¡revealed ¡to ¡ be ¡a ¡simulated ¡GW ¡added ¡to ¡the ¡ data ¡as ¡a ¡detec0on ¡test. ¡

hIp://ligo.org/science/GW100916/ ¡