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Title: Search for intermediate-mass black hole binaries in the third observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo
Intermediate-mass black holes (IMBHs) span the approximate mass range 100−10 5   M ⊙ , between black holes (BHs) that formed by stellar collapse and the supermassive BHs at the centers of galaxies. Mergers of IMBH binaries are the most energetic gravitational-wave sources accessible by the terrestrial detector network. Searches of the first two observing runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo did not yield any significant IMBH binary signals. In the third observing run (O3), the increased network sensitivity enabled the detection of GW190521, a signal consistent with a binary merger of mass ∼150  M ⊙ providing direct evidence of IMBH formation. Here, we report on a dedicated search of O3 data for further IMBH binary mergers, combining both modeled (matched filter) and model-independent search methods. We find some marginal candidates, but none are sufficiently significant to indicate detection of further IMBH mergers. We quantify the sensitivity of the individual search methods and of the combined search using a suite of IMBH binary signals obtained via numerical relativity, including the effects of spins misaligned with the binary orbital axis, and present the resulting upper limits on astrophysical merger rates. Our most stringent limit is for equal mass and aligned more » spin BH binary of total mass 200  M ⊙ and effective aligned spin 0.8 at 0.056 Gpc −3 yr −1 (90% confidence), a factor of 3.5 more constraining than previous LIGO-Virgo limits. We also update the estimated rate of mergers similar to GW190521 to 0.08 Gpc −3 yr −1 . « less
Authors:
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Award ID(s):
2011334 2018420 1912632 1726215 2110338 2004044 1707946 2011865 2012083 2006384 1806990 1806577 2110360 1806461 1806656 2110509 1912630 1912649 1912578 2110575
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10327951
Journal Name:
Astronomy & Astrophysics
Volume:
659
Page Range or eLocation-ID:
A84
ISSN:
0004-6361
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract

    The existence of black holes (BHs) with masses in the range between stellar remnants and supermassive BHs has only recently become unambiguously established. GW190521, a gravitational wave signal detected by the LIGO/Virgo Collaboration, provides the first direct evidence for the existence of such intermediate-mass BHs (IMBHs). This event sparked and continues to fuel discussion on the possible formation channels for such massive BHs. As the detection revealed, IMBHs can form via binary mergers of BHs in the “upper mass gap” (≈40–120M). Alternatively, IMBHs may form via the collapse of a very massive star formed through stellar collisions and mergers in dense star clusters. In this study, we explore the formation of IMBHs with masses between 120 and 500Min young, massive star clusters using state-of-the-art Cluster Monte Carlo models. We examine the evolution of IMBHs throughout their dynamical lifetimes, ending with their ejection from the parent cluster due to gravitational radiation recoil from BH mergers, or dynamical recoil kicks from few-body scattering encounters. We find thatallof the IMBHs in our models are ejected from the host cluster within the first ∼500 Myr, indicating a low retention probability of IMBHs in this mass range for globular clusters today. We estimate themore »peak IMBH merger rate to be2Gpc3yr1at redshiftz≈ 2.

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  2. ABSTRACT Advanced LIGO and Advanced Virgo are detecting a large number of binary stellar origin black hole (BH) mergers. A promising channel for accelerated BH merger lies in active galactic nucleus (AGN) discs of gas around supermasssive BHs. Here, we investigate the relative number of compact object (CO) mergers in AGN disc models, including BH, neutron stars (NS), and white dwarfs, via Monte Carlo simulations. We find the number of all merger types in the bulk disc grows ∝ t1/3 which is driven by the Hill sphere of the more massive merger component. Median mass ratios of NS–BH mergers in AGN discs are $\tilde{q}=0.07\pm 0.06(0.14\pm 0.07)$ for mass functions (MF) M−1(− 2). If a fraction fAGN of the observed rate of BH–BH mergers (RBH–BH) come from AGN, the rate of NS–BH (NS–NS) mergers in the AGN channel is ${R}_{\mathrm{ BH}\!-\!\mathrm{ NS}} \sim f_{\mathrm{ AGN}}[10,300]\, \rm {Gpc}^{-3}\, \rm {yr}^{-1},({\mathit{ R}}_{NS\!-\!NS} \le \mathit{ f}_{AGN}400\, \rm {Gpc}^{-3}\, \rm {yr}^{-1}$). Given the ratio of NS–NS/BH–BH LIGO search volumes, from preliminary O3 results the AGN channel is not the dominant contribution to observed NS–NS mergers. The number of lower mass gap events expected is a strong function of the nuclear MF and mass segregation efficiency. CO merger ratiosmore »derived from LIGO can restrict models of MF, mass segregation, and populations embedded in AGN discs. The expected number of electromagnetic (EM) counterparts to NS–BH mergers in AGN discs at z < 1 is $\sim [30,900]\, {\rm {yr}}^{-1}(f_{\mathrm{ AGN}}/0.1)$. EM searches for flaring events in large AGN surveys will complement LIGO constraints on AGN models and the embedded populations that must live in them.« less
  3. Abstract We present our current best estimate of the plausible observing scenarios for the Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA gravitational-wave detectors over the next several years, with the intention of providing information to facilitate planning for multi-messenger astronomy with gravitational waves. We estimate the sensitivity of the network to transient gravitational-wave signals for the third (O3), fourth (O4) and fifth observing (O5) runs, including the planned upgrades of the Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors. We study the capability of the network to determine the sky location of the source for gravitational-wave signals from the inspiral of binary systems of compact objects, that is binary neutron star, neutron star–black hole, and binary black hole systems. The ability to localize the sources is given as a sky-area probability, luminosity distance, and comoving volume. The median sky localization area (90% credible region) is expected to be a few hundreds of square degrees for all types of binary systems during O3 with the Advanced LIGO and Virgo (HLV) network. The median sky localization area will improve to a few tens of square degrees during O4 with the Advanced LIGO, Virgo, and KAGRA (HLVK) network. During O3, the median localization volume (90% crediblemore »region) is expected to be on the order of $$10^{5}, 10^{6}, 10^{7}\mathrm {\ Mpc}^3$$ 10 5 , 10 6 , 10 7 Mpc 3 for binary neutron star, neutron star–black hole, and binary black hole systems, respectively. The localization volume in O4 is expected to be about a factor two smaller than in O3. We predict a detection count of $$1^{+12}_{-1}$$ 1 - 1 + 12 ( $$10^{+52}_{-10}$$ 10 - 10 + 52 ) for binary neutron star mergers, of $$0^{+19}_{-0}$$ 0 - 0 + 19 ( $$1^{+91}_{-1}$$ 1 - 1 + 91 ) for neutron star–black hole mergers, and $$17^{+22}_{-11}$$ 17 - 11 + 22 ( $$79^{+89}_{-44}$$ 79 - 44 + 89 ) for binary black hole mergers in a one-calendar-year observing run of the HLV network during O3 (HLVK network during O4). We evaluate sensitivity and localization expectations for unmodeled signal searches, including the search for intermediate mass black hole binary mergers.« less
  4. Abstract Using ground-based gravitational-wave detectors, we probe the mass function of intermediate-mass black holes (IMBHs) wherein we also include BHs in the upper mass gap at ∼60–130 M ⊙ . Employing the projected sensitivity of the upcoming LIGO and Virgo fourth observing run (O4), we perform Bayesian analysis on quasi-circular nonprecessing, spinning IMBH binaries (IMBHBs) with total masses 50–500 M ⊙ , mass ratios 1.25, 4, and 10, and dimensionless spins up to 0.95, and estimate the precision with which the source-frame parameters can be measured. We find that, at 2 σ , the mass of the heavier component of IMBHBs can be constrained with an uncertainty of ∼10%–40% at a signal-to-noise ratio of 20. Focusing on the stellar-mass gap with new tabulations of the 12 C( α , γ ) 16 O reaction rate and its uncertainties, we evolve massive helium core stars using MESA to establish the lower and upper edges of the mass gap as ≃ 59 − 13 + 34 M ⊙ and ≃ 139 − 14 + 30 M ⊙ respectively, where the error bars give the mass range that follows from the ±3 σ uncertainty in the 12 C( α , γ ) 16more »O nuclear reaction rate. We find that high resolution of the tabulated reaction rate and fine temporal resolution are necessary to resolve the peak of the BH mass spectrum. We then study IMBHBs with components lying in the mass gap and show that the O4 run will be able to robustly identify most such systems. Finally, we reanalyze GW190521 with a state-of-the-art aligned-spin waveform model, finding that the primary mass lies in the mass gap with 90% credibility.« less
  5. ABSTRACT

    The detection of an intermediate-mass black hole population (102–106 M⊙) will provide clues to their formation environments (e.g. discs of active galactic nuclei, globular clusters) and illuminate a potential pathway to produce supermassive black holes. Ground-based gravitational-wave detectors are sensitive to mergers that can form intermediate-mass black holes weighing up to ∼450 M⊙. However, ground-based detector data contain numerous incoherent short duration noise transients that can mimic the gravitational-wave signals from merging intermediate-mass black holes, limiting the sensitivity of searches. Here, we follow-up on binary black hole merger candidates using a ranking statistic that measures the coherence or incoherence of triggers in multiple-detector data. We use this statistic to rank candidate events, initially identified by all-sky search pipelines, with lab-frame total masses ≳ 55 M⊙ using data from LIGO’s second observing run. Our analysis does not yield evidence for new intermediate-mass black holes. However, we find support for eight stellar-mass binary black holes not reported in the first LIGO–Virgo gravitational wave transient catalogue GWTC-1, seven of which have been previously reported by other catalogues.