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

Résumé technique : Recherche d'ondes gravitationnelles à longue durée transitoire issues de SN 2023ixf à l'aide de GFH-v2

Problématique et motivation
Les magnétars nouvellement nés, en rotation rapide, issus de supernovas à effondrement de cœur (CCSNe), sont prédits comme émetteurs d'ondes gravitationnelles continues à longue durée transitoire (tCWs). Contrairement aux sursauts de courte durée associés à l'effondrement lui-même, ces signaux proviennent du ralentissement d'une étoile à neutrons ou d'un magnétar nouvellement formé et non axisymétrique. L'émission est pilotée par la perte d'énergie de rotation, produisant un signal dont la fréquence diminue selon une loi de puissance et dont l'amplitude de déformation décroît au fil du temps. La détection de ces signaux fournirait un aperçu direct de la naissance, de la structure interne et de l'évolution de la rotation des étoiles à neutrons.

SN 2023ixf, une supernova de type II issue d'un effondrement de cœur découverte dans la galaxie proche M101 (distance $\approx$ 6,85 Mpc), présente une opportunité unique pour une telle recherche. Sa proximité et le minutage précis de sa détection électromagnétique (dans une fenêtre d'environ 2 heures) permettent une recherche dirigée. Crucialement, l'époque de l'événement chevauche la période d'ingénierie 15 (ER15) de LIGO, fournissant un ensemble de données de segments coïncidents des détecteurs Hanford (H1) et Livingston (L1) précédant immédiatement la quatrième campagne d'observation (O4).

Méthodologie
L'analyse utilise la pipeline GFH-v2, une méthode de recherche semi-cohérente hiérarchique basée sur la transformée de Hough de fréquence généralisée, spécifiquement conçue pour les signaux présentant une évolution de fréquence en loi de puissance.

• Modèle de signal : La recherche cible une étoile à neutrons rigide, non précessante, ralentissant principalement via l'émission d'ondes gravitationnelles. Cela correspond à un indice de freinage $n=5$. La fréquence des ondes gravitationnelles $f_{gw}$ évolue selon $\dot{f}_{gw} = -k f_{gw}^n$, et l'amplitude de déformation $h_0(t)$ décroît comme $t^{-1/2}$. La recherche suppose des paramètres canoniques d'étoile à neutrons ($M=1,4 M_\odot$, $R=12$ km) et une position céleste fixe basée sur la localisation électromagnétique.
• Données : L'analyse utilise des segments de science coïncidents de H1 et L1 pendant ER15, totalisant environ 48 619 secondes (0,56 jour) de données dans une fenêtre de source conservatrice. La qualité des données a été vérifiée comme étant comparable à la sensibilité de l'O4a dans la plage 600–2000 Hz.
• Configuration de la recherche : L'espace des paramètres couvre des fréquences initiales ($f_0$) de 600 à 2000 Hz (pas de 10 Hz) et des ellipticités ($\epsilon$) de $3 \times 10^{-4}$ à $3 \times 10^{-3}$ (divisées en cinq sous-intervalles). Cela donne 7 de configurations de recherche indépendantes.
• Étapes de la pipeline :
  1. Préparation des données : Les données de la base de données de transformées de Fourier à court terme (SFDB) sont filtrées passe-bande et transformées en séries temporelles analytiques complexes.
  2. Génération de la Peakmap : Les maxima locaux dans le spectre de puissance égalisé sont sélectionnés pour former une carte de pics temps-fréquence (peakmap).
  3. Transformée de Hough : La peakmap est projetée des coordonnées $(t, f)$ vers des coordonnées transformées $(t, x)$ où $x = 1/f^{n-1}$. Dans cet espace, l'évolution en loi de puissance devient linéaire. Une transformée de Hough projette cela vers l'espace des paramètres $(x_0, k)$ (fréquence initiale et paramètre de ralentissement).
  4. Sélection de candidats : Les candidats sont identifiés comme des bacs présentant un excès de comptes par rapport au bruit de fond local. Un rapport critique (CR) est calculé en utilisant les statistiques de bruit estimées localement (médiane et dispersion dans des intervalles de 10 Hz) pour tenir compte du bruit non stationnaire.
  5. Coïncidence : Les candidats de H1 et L1 sont comparés dans l'espace des paramètres $(x_0, k)$. Une paire est considérée comme coïncidente si la métrique de distance $d_{coin} \le 2$.
  6. Suivi (Follow-up) : Les candidats coïncidents avec un $CR \ge 3,5$ subissent un suivi par hétérodyne. L'évolution de phase attendue est retirée des données, et le signal est réanalysé avec des temps de cohérence plus longs ($3\times$ et $6\times$ le temps original) pour vérifier s'il y a une augmentation de la significativité, ce qui indiquerait un signal astrophysique réel.

Résultats clés

• Sélection de candidats : Après l'application de l'exigence de coïncidence et du seuil de CR ($CR \ge 3,5$), 131 candidats coïncidents restaient.
• Résultat du suivi : Aucun des 131 candidats n'a présenté l'augmentation attendue du rapport critique lors des étapes de suivi par hétérodyne. Par conséquent, aucun candidat n'a été promu à la seconde étape de suivi.
• Détection : L'analyse n'a trouvé aucune preuve d'émission d'ondes gravitationnelles à longue durée transitoire associée à SN 2023ixf dans les données ER15.
• Limites supérieures : Des limites supérieures sur la distance maximale détectable ont été établies en fonction de la fréquence initiale et de l'ellipticité. Pour l'intervalle d'ellipticité le plus élevé ($\epsilon \in [2,5 \times 10^{-3}, 3,0 \times 10^{-3}]$), les limites d'efficacité à 90 % se situent entre environ 1 et 2,5 Mpc sur la majeure partie de la bande de fréquence analysée. Pour des ellipticités plus faibles, les limites n'étaient soit pas déterminables, soit restreintes à des distances plus petites en raison de la durée limitée des données et des rapports signal sur bruit plus faibles.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que bien que les limites supérieures dérivées (1–2,5 Mpc) soient inférieures à la distance réelle de M101 ($\approx$ 6,85 Mpc), ce travail représente la première application de la pipeline GF-v2 à une recherche dirigée d'une supernova à effondrement de cœur proche. L'étude caractérise avec succès les performances de la pipeline sur des données réelles de mise en service (ER15). Elle démontre que la méthode GF-v2 peut être déployée efficacement pour rechercher des tCWs provenant d'événements de formation de magnétars, établissant un cadre pour les recherches futures utilisant des ensembles de données plus sensibles lors des prochaines campagnes d'observation (O5) et des détecteurs de prochaine génération. L'article conclut que la recherche fournit une estimation directe de la sensibilité pour les recherches de longue durée transitoire dans les données ER15 et sert de référence pour les efforts futurs.