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

Sintesi Tecnica: Ricerca di onde gravitazionali a transitorio lungo da SN 2023ixf utilizzando GFH-v2

Problema e Motivazione
Si prevede che i magnetar neonati a rapida rotazione, formati durante le supernovae a collasso nucleare (CCSNe), emettano onde gravitazionali a transitorio lungo (tCWs). A differenza dei burst a breve durata associati al collasso stesso, questi segnali derivano dal rallentamento della rotazione (spin-down) di una stella di neutroni o magnetar appena formata e non assiale. L'emissione è guidata dalla perdita di energia rotazionale, producendo un segnale la cui frequenza diminuisce secondo una legge di potenza e la cui ampiezza di deformazione (strain) decade nel tempo. La rilevazione di questi segnali fornirebbe una visione diretta sulla nascita, la struttura interna e l'evoluzione dello spin delle stelle di neutroni.

SN 2023ixf, una supernova di Tipo II scoperta nella vicina galassia M101 (distanza $\approx$ 6,85 Mpc), rappresenta un'opportunità unica per una tale ricerca. La sua vicinanza e la precisa temporizzazione della sua rilevazione elettromagnetica (entro una finestra di $\sim$2 ore) permettono una ricerca diretta. Fondamentalmente, l'epoca dell'evento si sovrappone alla Engineering Run 15 (ER15) di LIGO, fornendo un dataset di dati coincidenti dai rilevatori Hanford (H1) e Livingston (L1) immediatamente precedenti la quarta run di osservazione (O4).

Metodologia
L'analisi utilizza la pipeline GFH-v2, un metodo di ricerca semi-coerente gerarchico basato sulla trasformata di Hough di frequenza generalizzata, specificamente progettato per segnali con evoluzione di frequenza a legge di potenza.

• Modello del Segnale: La ricerca mira a una stella di neutroni rigida, non precessante, che subisce lo spin-down principalmente tramite emissione di onde gravitazionali. Ciò corrisponde a un indice di braking $n=5$. La frequenza delle onde gravitazionali $f_{gw}$ evolve come $\dot{f}_{gw} = -k f_{gw}^n$, e l'ampiezza di deformazione $h_0(t)$ decade come $t^{-1/2}$. La ricerca assume parametri canonici della stella di neutroni ($M=1,4 M_\odot$, $R=12$ km) e una posizione nel cielo fissa basata sulla localizzazione elettromagnetica.
• Dati: L'analisi utilizza segmenti scientifici coincidenti da H1 e L1 durante l'ER15, per un totale di circa 48.619 secondi (0,56 giorni) di dati all'interno di una finestra on-source conservativa. La qualità dei dati è stata verificata come comparabile alla sensibilità O4a nell'intervallo 600–2000 Hz.
• Configurazione della Ricerca: Lo spazio dei parametri copre le frequenze iniziali ($f_0$) da 600 a 2000 Hz (passo 10 Hz) ed ellitticità ($\epsilon$) da $3 \times 10^{-4}$ a $3 \times 10^{-3}$ (divise in cinque sotto-intervalli). Ciò risulta in 700 configurazioni di ricerca indipendenti.
• Fasi della Pipeline:
  1. Preparazione dei Dati: I dati della Short Fourier Transform Database (SFDB) vengono filtrati passa-banda e trasformati in serie temporali analitiche complesse.
  2. Generazione della Peakmap: I massimi locali nello spettro di potenza equiparato vengono selezionati per formare una peakmap tempo-frequenza.
  3. Trasformata di Hough: La peakmap viene mappata da $(t, f)$ in coordinate trasformate $(t, x)$ dove $x = 1/f^{n-1}$. In questo spazio, l'evoluzione a legge di potenza diventa lineare. Una trasformata di Hough mappa questo spazio nel parametro $(x_0, k)$ (frequenza iniziale e parametro di spin-down).
  4. Selezione dei Candidati: I candidati sono identificati come bin con eccesso di conteggi rispetto al background locale. Viene calcolato un rapporto critico (CR) utilizzando la statistica del rumore stimata localmente (mediana e dispersione entro intervalli di 10 Hz) per tenere conto del rumore non stazionario.
  5. Coincidenza: I candidati di H1 e L1 vengono confrontati nello spazio dei parametri $(x_0, k)$. Una coppia è considerata coincidente se la metrica di distanza $d_{coin} \le 2$.
  6. Follow-up: I candidati coincidenti con $CR \ge 3,5$ sono sottoposti a un follow-up eterodina. L'evoluzione di fase prevista viene rimossa dai dati, e il segnale viene ri-analizzato con tempi di coerenza più lunghi ($3\times$ e $6\times$ l'originale) per verificare se vi sia un aumento della significatività, il che indicherebbe un reale segnale astrofisico.

Risultati Chiave

• Selezione dei Candidati: Dopo l'applicazione del requisito di coincidenza e della soglia CR ($CR \ge 3,5$), sono rimasti 131 candidati coincidenti.
• Esito del Follow-up: Nessuno dei 131 candidati ha mostrato l'aumento atteso del rapporto critico durante le fasi di follow-up eterodina. Di conseguenza, nessun candidato è stato promosso alla seconda fase di follow-up.
• Rilevazione: L'analisi non ha trovato evidenza di emissione di onde gravitazionali a transitorio lungo associata a SN 2023ixf nei dati ER15.
• Limiti Superiori: I limiti superiori sulla massima distanza rilevabile sono stati stabiliti in funzione della frequenza iniziale e dell'ellitticità. Per l'intervallo di ellitticità più elevata ($\epsilon \in [2,5 \times 10^{-3}, 3,0 \times 10^{-3}]$), i limiti superiori di efficienza al 90% variano approssimativamente da 1 a 2,5 Mpc attraverso la maggior parte della banda di frequenza analizzata. Per ellitticità inferiori, i limiti sono stati o non determinabili o limitati a distanze minori a causa della durata limitata dei dati e dei rapporti segnale-rumore più bassi.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che, sebbene i limiti superiori derivati (1–2,5 Mpc) siano inferiori alla distanza effettiva di M101 ($\approx$ 6,85 Mpc), il lavoro rappresenta la prima applicazione della pipeline GFH-v2 a una ricerca diretta di una supernova a collasso nucleare vicina. Lo studio caratterizza con successo le prestazioni della pipeline su dati reali dei rilevatori in fase di commissioning (ER15). Dimostra che il metodo GFH-v2 può essere impiegato efficacemente per cercare tCW da eventi di formazione di magnetar, stabilendo un quadro per ricerche future utilizzando dataset più sensibili dalle prossime run di osservazione (O5) e dai prossimi rilevatori di nuova generazione. Il documento conclude che la ricerca fornisce una stima diretta della sensibilità per le ricerche a transitorio lungo nei dati ER15 e funge da benchmark per sforzi futuri.