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

Technische Samenvatting: Zoektocht naar langdurige transiënte zwaartekrachtgolven van SN 2023ixf met behulp van GFH-v2

Probleem en Motivatie
Snel roterende pasgeboren magnetars die gevormd worden tijdens kernimplosiesupernovae (CCSNe) worden voorspeld om langdurige transiënte continue zwaartekrachtgolven (tCW's) uit te zenden. In tegen tegenstelling tot kortstondige bursts die geassocieerd zijn met de ineenstorting zelf, ontstaan deze signalen door de spin-down van een nieuw gevormde, niet-asymmetrische neutronenster of magnetar. De emissie wordt gedreven door het verlies aan rotatie-energie, wat een signaal produceert waarvan de frequentie volgens een machtswet afneemt en de amplitude van de strain in de tijd afzwakt. Het detecteren van deze signalen zou directe inzichten bieden in de geboorte, interne structuur en spin-evolutie van neutronensterren.

SN 2023ixf, een Type II kernimplosiesupernova ontdekt in het nabijgelegen sterrenstelsel M101 (afstand $\approx$ 6,85 Mpc), biedt een unieke kans voor een dergelijke zoektocht. De nabijheid en de nauwkeurige timing van de elektromagnetische detectie (binnen een venster van $\sim$2 uur) maken een gerichte zoektocht mogelijk. Cruciaal is dat het tijdperk van het evenement samenvalt met de Engineering Run 15 (ER15) van LIGO, wat een dataset van gelijktijdige gegevens levert van de Hanford (H1) en Livingston (L1) detectoren onmiddellijk voorafgaand aan de vierde observatierun (O4).

Methodologie
De analyse maakt gebruik van de GFH-v2 pipeline, een hiërarchische semi-coherente zoekmethode gebaseerd op de Generalized Frequency Hough-transformatie, specifiek ontworpen voor signalen met een machtswet-frequentie-evolutie.

• Signaalmodel: De zoektocht richt zich op een rigide, niet-precesserende neutronenster die primair afremt via zwaartekrachtgolfemissie. Dit komt overeen met een braking index $n=5$. De zwaartekrachtgolf-frequentie $f_{gw}$ evolueert als $\dot{f}_{gw} = -k f_{gw}^n$, en de strain-amplitude $h_0(t)$ neemt af als $t^{-1/2}$. De zoektocht gaat uit van canonieke neutronenster-parameters ($M=1,4 M_\odot$, $R=12$ km) en een vaste hemelpositie gebaseerd op elektromagnetische lokalisatie.
• Data: De analyse gebruikt gelijktijdige wetenschappelijke segmenten van H1 en L1 tijdens ER15, wat in totaal ongeveer 48.619 seconden (0,56 dagen) aan gegevens bevat binnen een conservatief on-source venster. De datakwaliteit is geverifieerd als vergelijkbaar met de O4a-gevoeligheid in het bereik van 600–2000 Hz.
• Zoekconfiguratie: De parameterruimte dekt initiële frequenties ($f_0$) van 600 tot 2000 Hz (stap van 10 Hz) en ellipticiteiten ($\epsilon$) van $3 \times 10^{-4}$ tot $3 \times 10^{-3}$ (verdeeld in vijf sub-intervallen). Dit resulteert in 700 onafhankelijke zoekconfiguraties.
• Pipeline-stappen:
  1. Datapreparatie: Short Fourier Transform Database (SFDB) data worden band-gepasserd en getransformeerd naar complexe analytische tijdreeksen.
  2. Peakmap Generatie: Lokale maxima in het geëgaliseerde powerspectrum worden geselecteerd om een tijd-frequentie peakmap te vormen.
  3. Hough-transformatie: De peakmap wordt gemapt van $(t, f)$ naar getransformeerde coördinaten $(t, x)$ waar $x = 1/f^{n-1}$. In deze ruimte wordt de machtswet-evolutie lineair. Een Hough-transformatie mapt dit naar de $(x_0, k)$ parameterruimte (initiële frequentie en spin-down parameter).
  4. Candidate Selectie: Kandidaten worden geïdentificeerd als bins met een overschot aan counts ten opzichte van de lokale achtergrond. Een kritieke ratio (CR) wordt berekend met behulp van lokaal geschatte ruisstatistieken (mediaan en dispersie binnen 10 Hz intervallen) om rekening te houden met niet-stationaire ruis.
  5. Coincidentie: Kandidaten van H1 en L1 worden vergeleken in de $(x_0, k)$ parameterruimte. Een paar wordt als coincident beschouwd als de afstand metriek $d_{coin} \le 2$.
  6. Follow-up: Coincident kandidaten met $CR \ge 3,5$ ondergaan een heterodyne follow-up. De verwachte fase-evolutie wordt uit de data verwijderd, en het signaal wordt opnieuw geanalyseerd met langere coherentietijden ($3\times$ en $6\times$ de oorspronkelijke tijd) om te controleren op een toename in significantie, wat zou duiden op een echt astrofysisch signaal.

Belangrijkste Resultaten

• Candidate Selectie: Na het toepassen van de coincidentie-eis en de CR-drempel ($CR \ge 3,5$) bleven er 131 coïncidente kandidaten over.
• Follow-up Uitkomst: Geen van de 131 kandidaten vertoonde de verwachte toename in de kritieke ratio tijdens de heterodyne follow-up stadia. Bijgevolg werd geen enkele kandidaat gepromoveerd naar de tweede follow-up fase.
• Detectie: De analyse vond geen bewijs voor langdurige transiënte zwaartekrachtgolfemissie geassocieerd met SN 2023ixf in de ER15-data.
• Bovengrenzen: Bovengrenzen op de maximaal detecteerbare afstand werden vastgesteld als functie van de initiële frequentie en ellipticiteit. Voor het hoogste ellipticiteitsinterval ($\epsilon \in [2,5 \times 10^{-3}, 3,0 \times 10^{-3}]$) liggen de 90% efficiëntie bovengrenzen tussen ongeveer 1 en 2,5 Mpc over het grootste deel van het geanalyseerde frequentieband. Voor lagere ellipticiteiten waren de limieten ofwel niet bepaalbaar of beperkt tot kleinere afstanden vanwege de beperkte duur van de data en lagere signaal-ruisverhoudingen.

Significantie en Claims
De auteurs stellen dat hoewel de afgeleide bovengrenzen (1–2,5 Mpc) onder de werkelijke afstand tot M101 ($\approx$ 6,85 Mpc) liggen, het werk de eerste toepassing van de GFH-v2 pipeline voor een gerichte zoektocht naar een nabijgelegen kernimplosiesupernova vertegenwoordigt. De studie karakteriseert succesvol de prestaties van de pipeline op echte, commissioning-era detectorgegevens (ER15). Het demonstreert dat de GFH-v2 methode effectief kan worden ingezet om naar tCW's te zoeken van magnetar-vormende gebeurtenissen, en legt daarmee een kader vast voor toekomstige zoektochten met gevoeligere datasets van komende observatieruns (O5) en volgende generatie detectoren. De paper concludeert dat de zoektocht een directe gevoeligheidsschatting biedt voor langdurige transiënte zoektochten in de ER15-data en dient als benchmark voor toekomstige inspanningen.