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 ¡ observa0ons ¡with ¡ photons. ¡ 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 2 ¡

GW ¡Detectors: ¡2009-­‑2010 ¡Run ¡ − 19 • LIGO’s ¡typical ¡range ¡for ¡ 10 Virgo VSR3 2010-10-07 binary ¡coalescences: ¡ Virgo VSR2 2009-11-01 LIGO Livingston 2010-05-31 amplitude spectral density (Hz − 1 / 2 ) – NS ¡– ¡NS: ¡20 ¡Mpc ¡ ¡ LIGO Hanford 2010-05-15 − 20 10 – NS ¡– ¡BH: ¡40 ¡Mpc ¡ ¡ – Virgo: ¡about ¡half ¡that ¡ • Expect ¡detec0ons ¡< ¡1 ¡yr -­‑1 . ¡ ¡ − 21 10 • Currently ¡being ¡upgraded ¡ to ¡advanced ¡detectors ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (c. ¡2015-­‑2020). ¡ − 22 10 – 10 ¡x ¡distance ¡sensi0vity ¡ Abadie ¡et ¡al., ¡arXiv:1111.7314 ¡ − 23 10 Abadie ¡et ¡al., ¡arXiv:1003.2480 ¡ 2 3 10 10 frequency [Hz] 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 3 ¡

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 ¡ H L J ¡Read ¡/ ¡YITP ¡(in ¡prep) ¡ • Matched-­‑filter ¡search ¡for ¡ strain ¡ GW ¡“chirp” ¡in ¡[-­‑5,+1] ¡sec ¡ t window ¡around ¡GRB ¡0me. ¡ 0me ¡ 5 ¡

LIGO-­‑Virgo: ¡Short ¡GRB ¡Distance ¡Limits ¡ 8 NS-NS From ¡matched-­‑filter ¡ NS-BH 7 binary ¡search, ¡ NS-­‑NS ¡ NS-­‑BH ¡ 2009-­‑2010 ¡run ¡ 6 Abadie ¡et ¡al. ¡1205.2216 ¡ number of GRBs 5 Limits ¡assume ¡30° ¡jet. ¡ 4 3 2 1 0 − 1 0 1 2 10 10 10 10 exclusion distance (Mpc) 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 6 ¡

Short ¡GRBs, ¡Redux ¡ ∼ 40 Mpc ∼ 400 Mpc 0 10 Limits ¡from ¡ 2009-­‑2010 ¡data ¡ observed ¡short ¡ Cumulative distribution GRB ¡redshifs ¡ (Dietz ¡2011) ¡ − 1 10 10 ¡x ¡sensi0vity ¡ 5 ¡x ¡# ¡of ¡GRBs ¡ Extrapola7on ¡ NS-NS exclusion NS-BH exclusion to ¡2015-­‑2020 ¡ NS-NS extrapolation NS-BH extrapolation EM observations − 2 10 − 3 − 2 − 1 0 1 10 10 10 10 10 Abadie ¡et ¡al. ¡1205.2216 ¡ redshift 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 7 ¡

Long ¡GRBs ¡ • GW ¡emission ¡uncertain: ¡10 -­‑8 ¡M  ¡(galac0c ¡range) ¡to ¡ ¡ ¡10 -­‑2 ¡M  ¡(≈10 ¡Mpc) ¡ • Magnetar ¡scenario: ¡ • Black ¡hole ¡+ ¡disk ¡scenario: ¡ – bar ¡mode ¡instability ¡ – disk ¡fragmenta0on ¡ (Piro ¡ (Shibata ¡et ¡al., ¡2003) ¡ & ¡Pfahl, ¡2007) ¡ – core ¡fragmenta0on ¡ – disk ¡precession ¡ (Romero ¡ (Davies ¡et ¡al., ¡2002; ¡ et ¡al., ¡2010) ¡ Kobayashi ¡& ¡Mészáros ¡‘03) ¡        wide ¡range ¡of ¡       γ ¡– ¡GW ¡delays ¡ (Was ¡2011 ¡ [PhD ]) ¡            28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 8 ¡

Long ¡GRBs ¡ • GW ¡emission ¡uncertain: ¡10 -­‑8 ¡M  ¡(galac0c ¡range) ¡to ¡ ¡ ¡10 -­‑2 ¡M  ¡(≈10 ¡Mpc) ¡ • Magnetar ¡scenario: ¡ • Black ¡hole ¡+ ¡disk ¡scenario: ¡ – bar ¡mode ¡instability ¡ – disk ¡fragmenta0on ¡ (Piro ¡ (Shibata ¡et ¡al., ¡2003) ¡ & ¡Pfahl, ¡2007) ¡ – core ¡fragmenta0on ¡ – disk ¡precession ¡ (Romero ¡ (Davies ¡et ¡al., ¡2002; ¡ et ¡al., ¡2010) ¡ Kobayashi ¡& ¡Mészáros ¡‘03) ¡ GRBs ¡highly ¡beamed ¡(≈5 ° ): ¡ circularly ¡polarized ¡GW ¡ emission. ¡ NASA ¡ 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 9 ¡

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 ¡

Burst ¡Exclusion ¡Distances ¡(all ¡GRBs) ¡ 45 ¡ ¡ ¡ ¡Assumes ¡10 -­‑2 ¡M  ¡ CSG 150Hz CSG 300Hz 40 in ¡GW ¡in ¡small ¡ frequency ¡band, ¡ ¡ 35 5° ¡jet. ¡ number of GRBs 30 Abadie ¡et ¡al., ¡ ¡ 25 1205.2216 ¡ 20 15 300 ¡Hz ¡ 150 ¡Hz ¡ 10 5 0 − 1 0 1 2 10 10 10 10 exclusion distance (Mpc) 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 11 ¡ AbboI ¡et ¡al ¡ApJ ¡(2010) ¡

GW ¡Bursts: ¡Future ¡Prospects ¡ ∼ 40 Mpc ∼ 400 Mpc 0 10 Limits ¡from ¡ 2009-­‑2010 ¡data ¡ Cumulative distribution − 1 10 observed ¡ ¡ GRB ¡redshifs ¡ (Jakobsson ¡ et ¡al. ¡ 2006, ¡2012) ¡ − 2 Extrapola7on ¡ 10 to ¡2015-­‑2020 ¡ 10 − 2 M ⊙ c 2 exclusion 10 − 4 M ⊙ c 2 extrapolation 10 ¡x ¡sensi0vity ¡ 10 − 2 M ⊙ c 2 extrapolation 5 ¡x ¡# ¡of ¡GRBs ¡ EM observations − 3 10 − 3 − 2 − 1 0 1 10 10 10 10 10 Abadie ¡et ¡al. ¡1205.2216 ¡ redshift 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 12 ¡

GRB ¡051103 ¡ • Localiza0on ¡overlaps ¡M81 ¡at ¡3.6 ¡Mpc. ¡ • No ¡GW ¡signal ¡observed. ¡ Abadie ¡et ¡al. ¡1201.4413 ¡ – Exclude ¡binary ¡ progenitor ¡as ¡ NS-­‑NS ¡98% ¡ func0on ¡of ¡ NS-­‑BH ¡>99% ¡ opening ¡angle ¡ – Best ¡burst ¡limit ¡ ≈10 51 ¡erg ¡(does ¡ not ¡constrain ¡SGR ¡ progenitor). ¡ 13 ¡ 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 13 ¡

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 ¡ • Prospects ¡are ¡strongly ¡ detect ¡GW ¡associated ¡with ¡ dependent ¡on ¡having ¡GRB ¡ GRBs. ¡ satellites! ¡ – 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 . ¡ ¡ SwiS ¡ 28 ¡May ¡2012 ¡ SuIon, ¡GWBs ¡@ ¡Tobermory ¡ 15 ¡

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