Manuel Pichardo Marcano (UNAM-IA)

Anjali Yelikar (Vanderbilt University)

Karan Jani (Vanderbilt University)

Massive Double White Dwarf Binary Mergers from the Moon: Extending the Reach of Multi-messenger Astrophysics

See also recent work by Benetti et al. (2025)

Massive Double White Dwarf Binary Mergers from the Moon Recent Papers

arXiv:2508.11631

Remanentes Estelares

Estrellas Muertas

Enana Blanca

sol

Tierra

White Dwarfs

Caltech/NASA

Gil-Pons+2013

Caiazzo+2021

0.3 to < 1.25 M⊙

< 1.08 to 1.4 M⊙

Type Ia SN

Accretion-induced collapse (AIC)

Degenerate Objects:
- Maximum Mass = 1.4 M⊙
Type Ia SN progenitors
Neutron Stars Progenitors

~2000 km

1.33 M☉ - 1.37 M☉

Williamina Fleming:

Descubridora de las enanas blancas

"White Dwarf" -coined by Willem Luyten in 1922

Enanas Blancas

Sirius

Sirius A y Sirius B

NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester).

Sirius A

Estrella "Normal"

Sirius B

Enana Blanca

A 8.6 años luz
2.6 parsec

First predicted by Bessel in 1842 and first seen visually in by Alvan Clark 1862. (Bond 1862)

Sirius A y Sirius B

Período Orbital (Porb) de 50 años
Frequencia Orbital (1/Porb)
- 1/50 años = 10^-10 Hz

Separación 300 millones de km

El Sol a Urano (20 UA)

Binarias de enanas blancas

Variable Cataclísmica (CVs)

Mark A. Garlick

Enana Blanca

Estrella 'normal'

Período Orbital (Porb) desde 80 min-10 horas
Freq. Orbital (1/Porb)
- 1/10 hr = 10^-5Hz
- 1/80 min = 0.2 mHz

Separación de 3 R☉

2 millones de km

CVs are a key population of gravitational wave sources for LISA

Scaringi et al. (2023)

Binarias de enanas blancas

AM CVn

caltech

Enana Blanca

Período Orbital (Porb) de 5 - 60 min
Freq. Orbital (1/Porb)
- 1/5 min = 3 mHz
- 1/60 min = 0.3 mHz

Separación de 0.4 R☉

0.72 × mean Moon-Earth distance (10⁸ m)

Enana Blanca

LISA verification binaries

(e.g Kupfer et al. 24)

Binarias de Enanas Blancas

NASA

Separación de Miles de Km

Período Orbital (Porb) de Segundos
Freq. Orbital (1/Porb)
- 1/2 sec = 0.5 Hz

Merging Double WD Binaries

Caltech/NASA

Gravitational Wave Sources
Multi-messenger sources
Porb
- ~15 seconds to merge
fgrav = 2 x forb
- ~0.1 Hz to 1 Hz

Type Ia Supernova

Chandrasekhar Mass (Mch = 1.4M⊙)
Double-degenerate vs Single degenerate channel
Cosmological standard candles
- Hubble Tension
- Measure H₀ à la LIGO in '17 (arXiv:1710.05835)
Heavy-element factories

R. Sankrit and W. Blair (JHU) et al., ESA, NASA

Caltech/NASA

Accretion-induced Collapse

Formation of Neutron Stars (e.g. Nomoto et al. 1979)
Important in GCs (Grindlay et al. 1988)
Predicted EM:
- Gamma Rays (e.g. Dar et al. 1992)
- Radio (e.g. Piro et al. 2013)
- Optical (e.g. Sousa et al. 2023, Metzger et al. 2009)

NASA, ESA, and J. Anderson (STScI)

Ondas Gravitacionales:

Fluctuaciones en el espacio-tiempo

NASA

Ondas Gravitacionales

Primera Detección Directa

LIGO

Ondas Gravitacionales

Espejo

Divisor de haz

Laser

Patrón de interferencia

Ondas Gravitacionales

Colisión de Agujeros Negros

Separación de cientos de Km

Tamaño Rep. Dom.

Period Orbitales de decenas de milisegundos

f_orb = ~ 300 Hz

f_{ond. grav.} = ~ 150 Hz

Velocidad orb: 1/3 la velocidad de la luz

see arXiv:1608.01940

Ondas Gravitacionales

LUNA

LIGO

LISA

Pulsares

Tiempo (s)

Fondo

Microondas

Espectro Ondas Gravitacionales

Freq (Hz)

Estrellas de Neutrones

Agujeros Negros

Enanas

Blancas

Agujeros Negros Supermasivos

horas

años

millisegundos

segundos

Existentes

LISA:

Laser Interferometer Space Antenna

Más de 100 veces la distancia a la luna

LISA:

Laser Interferometer Space Antenna

LISA: Progenitores de las supernovas de tipo Ia

Crédito: GSFC/D.Berry)

Porb 10 sec

Porb 70 min

Porb 19 min

Porb 1 sec

Porb 48 min

0.5 M☉ +0.5 M☉

Hoy

LISA: Todas las binarias de enanas blancas de la Vía Láctea

Gaia (Telescopio Espacial Óptico)

LISA: Todas las binarias de enanas blancas de la Vía Láctea

Simulación de nuestra galaxia

Lamberts et al. (2019)

LILA:

Un LIGO en la LUNA

Supernovas de tipo Ia

en otras galaxias

Crédito: GSFC/D.Berry)

Porb 10 sec

Porb 70 min

Porb 19 min

Porb 1 sec

Porb 48 min

0.5 M☉ +0.5 M☉

Hoy

LILA

La Luna como el detector

LGWA

Lunar Gravitational Wave Observatories

The Lunar Gravitational-wave Antenna (LGWA) (Parameswaran et al. 2024)
- Seismometer (Lunar-SEI)
Laser Interferometer Lunar Antenna (LILA) (Jani et al. 2025):
- LIGO-like suspension system (Lunar-SUS)

Methods

Evolve WDs with masses 1. to 1.4 M⊙
1 years before merging:
- Roche-lobe: Lower Mass Fills Roche Lobe
- Contact: a = R1+R2
Calculate SNR for LGWA and Gravitational-Wave Lunar Observatory for Cosmology (GLOC) as a LILA proxy

Wagg et al. (2022)

Dupletsa et al. (2023)

GW Strain

Pichardo Marcano et al. (2025)

Detection Distance

Pichardo Marcano et al. (2025)

Detection Distance

Pichardo Marcano et al. (2025)

Early Alert at 10 Mpc

Pichardo Marcano et al. (2025)

Rates

Type Ia SN
- 1 yr-1 in 10 Mpc (Kinugawa et al. 2022, Ajith et al. 2025)
- Massive pairs (ONe+ONe): 1 yr−1 for ∼100 Mpc
AIC rates (Liu et al. 2020,Metzger et al. 2009):
- Best estimates: ~1 yr−1 at 30 Mpc
- Massive pairs (ONe+ONe): ~1 yr−1 events at 300 Mpc
Type Ia and AIC rates in Globular Clusters (Kremer et al. (2021a,b):
- Type Ia: 10^-5 yr−1
- AIC: 7 × 10^-8 yr−1 per core-collapsed GCs