Search for Long-Transient Gravitational Waves from Supernova SN2023ixf using GFH-v2 Pipeline

Resumen Técnico: Búsqueda de Ondas Gravitacionales de Transitorio Largo de SN 2023ixf usando GFH-v2

Problema y Motivación
Se predice que los magnetares recién nacidos que rotan rápidamente, formados en supernovas de colapso de núcleo (CCSNe), emiten ondas gravitacionales continuas de transitorio largo (tCWs). A diferencia de los estallidos de corta duración asociados con el propio colapso, estos signals surgen del frenado de una estrella de neutrones o magnetar recién formado y no axisimétrico. La emisión es impulsada por la pérdida de energía rotacional, produciendo una señal cuya frecuencia disminuye según una ley de potencia y cuya amplitud de deformación (strain) decae con el tiempo. La detección de estas señales proporcionaría información directa sobre el nacimiento, la estructura interna y la evolución del espín de las estrellas de neutrones.

SN 2023ixf, una supernova de colapso de núcleo de Tipo II descubierta en la galaxia cercana M101 (distancia $\approx$ 6.85 Mpc), presenta una oportunidad única para tal búsqueda. Su proximidad y la precisión temporal de su detección electromagnética (dentro de una ventana de $\sim$2 horas) permiten una búsqueda dirigida. Crucialmente, la época del evento se solapa con la Carrera de Ingeniería 15 (ER15) de LIGO, proporcionando un conjunto de datos de coincidencia de los detectores Hanford (H1) y Livingston (L1) inmediatamente antes de la cuarta campaña de observación (O4).

Metodología
El análisis emplea el pipeline GFH-v2, un método de búsqueda semi-coherente jerárquico basado en la transformada de Hough de frecuencia generalizada, diseñado específicamente para señales con evolución de frecuencia de ley de potencia.

• Modelo de Señal: La búsqueda se dirige a una estrella de neutronos rígida, no precesante, que experimenta un frenado impulsado principalmente por la emisión de ondas gravitacionales. Esto corresponde a un índice de frenado $n=5$. La frecuencia de onda gravitacional $f_{gw}$ evoluciona como $\dot{f}_{gw} = -k f_{gw}^n$, y la amplitud de deformación $h_0(t)$ decae como $t^{-1/2}$. La búsqueda asume parámetros canónicos de estrella de neutrones ($M=1.4 M_\odot$, $R=12$ km) y una posición en el cielo fija basada en la localización electromagnética.
• Datos: El análisis utiliza segmentos de ciencia coincidentes de H1 y L1 durante ER15, sumando aproximadamente 48,619 segundos (0.56 días) de datos dentro de una ventana de origen conservadora. Se verificó que la calidad de los datos fuera comparable a la sensibilidad de O4a en el rango de 600–2000 Hz.
• Configuración de la Búsqueda: El espacio de parámetros cubre frecuencias iniciales ($f_0$) de 600 a 2000 Hz (paso de 10 Hz) y elípticidades ($\epsilon$) de $3 \times 10^{-4}$ a $3 \times 10^{-3}$ (divididas en cinco subintervalos). Esto resulta en 700 configuraciones de búsqueda independientes.
• Pasos del Pipeline:
  1. Preparación de Datos: Los datos de la Base de Datos de Transformada de Fourier Corta (SFDB) son filtrados de banda y transformados en series temporales analíticas complejas.
  2. Generación de Peakmap: Se seleccionan los máximos locales en el espectro de potencia ecualizado para formar un mapa de picos en el tiempo-frecuencia (peakmap).
  3. Transformada de Hough: El peakmap se mapea de $(t, f)$ a coordenadas transformadas $(t, x)$ donde $x = 1/f^{n-1}$. En este espacio, la evolución de la ley de potencia se vuelve lineal. Una transformada de Hough mapea esto al espacio de parámetros $(x_0, k)$ (frecuencia inicial y parámetro de frenado).
  4. Selección de Candidatos: Los candidatos se identifican como contenedores (bins) con exceso de conteos respecto al fondo local. Se calcula una razón crítica (CR) utilizando la estadística de ruido estimada localmente (mediana y dispersión dentro de intervalos de 10 Hz) para dar cuenta del ruido no estacionario.
  5. Coincidencia: Los candidatos de H1 y L1 se comparan en el espacio de parámetros $(x_0, k)$. Un par se considera coincidente si la métrica de distancia $d_{coin} \le 2$.
  6. Seguimiento (Follow-up): Los candidatos coincidentes con $CR \ge 3.5$ se someten a un seguimiento de heterodino. Se elimina la evolución de fase esperada de los datos y la señal se reanaliza con tiempos de coherencia más largos ($3\times$ y $6\times$ el original) para verificar si hay un aumento en la significancia, lo cual indicaría una señal astrofísica real.

Resultados Clave

• Selección de Candidatos: Tras aplicar el requisito de coincidencia y el umbral de CR ($CR \ge 3.5$), permanecieron 131 candidatos coincidentes.
• Resultado del Seguimiento: Ninguno de los 131 candidatos exhibió el aumento esperado en la razón crítica durante las etapas de seguimiento de heterodino. En consecuencia, ningún candidato fue promovido a la segunda etapa de seguimiento.
• Detección: El análisis no encontró evidencia de emisión de ondas gravitacionales de transitorio largo asociada con SN 2023ixf en los datos de ER15.
• Límites Superiores: Se establecieron límites superiores sobre la distancia máxima detectable en función de la frecuencia inicial y la elípticidad. Para el intervalo de mayor elípticidad ($\epsilon \in [2.5 \times 10^{-3}, 3.0 \times 10^{-3}]$), los límites superiores de eficiencia del 90% oscilan aproximadamente entre 1 y 2.5 Mpc en la mayor parte de la banda de frecuencia analizada. Para elípticidades menores, los límites no fueron determinables o se restringieron a distancias menores debido a la duración limitada de los datos o a menores relaciones señal-ruido.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que, aunque los límites superiores derivados (1–2.5 Mpc) están por debajo de la distancia real a M101 ($\approx$ 6.85 Mpc), el trabajo representa la primera aplicación del pipeline GFH-v2 a una búsqueda dirigida de una supernova de colapso de núcleo cercana. El estudio caracteriza con éxito el rendimiento del pipeline en datos reales de detectores de la era de comisionamiento (ER15). Demuestra que el método GFH-v2 puede desplegarse eficazmente para buscar tCWs de eventos de formación de magnetares, estableciendo un marco para futuras búsquedas utilizando conjuntos de datos más sensibles de las próximas campañas de observación (O5) y detectores de próxima generación. El artículo concluye que la búsqueda proporciona una estimación directa de la sensibilidad para búsquedas de transitorios largos en los datos de ER15 y sirve como un punto de referencia para esfuerzos futuros.