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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 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 .  more » « less
Award ID(s):
2011334 2018420 1912632 1726215 2110338 2004044 1707946 2011865 2012083 2006384 1806990 1806577 2110360 1806461 1806656 2110509 1912630 1912649 1912578 2110575 2011786 2207920
NSF-PAR ID:
10327951
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Astronomy & Astrophysics
Volume:
659
ISSN:
0004-6361
Page Range / eLocation ID:
A84
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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% credible 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. 
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  2. null (Ed.)
    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 ratios 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. 
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  3. ABSTRACT We describe a search for gravitational waves from compact binaries with at least one component with mass $0.2$–$1.0 \, \mathrm{M}_\odot$ and mass ratio q ≥ 0.1 in Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) and Advanced Virgo data collected between 2019 November 1, 15:00 utc and 2020 March 27, 17:00 utc. No signals were detected. The most significant candidate has a false alarm rate of $0.2 \, \rm {yr}^{-1}$. We estimate the sensitivity of our search over the entirety of Advanced LIGO’s and Advanced Virgo’s third observing run, and present the most stringent limits to date on the merger rate of binary black holes with at least one subsolar-mass component. We use the upper limits to constrain two fiducial scenarios that could produce subsolar-mass black holes: primordial black holes (PBH) and a model of dissipative dark matter. The PBH model uses recent prescriptions for the merger rate of PBH binaries that include a rate suppression factor to effectively account for PBH early binary disruptions. If the PBHs are monochromatically distributed, we can exclude a dark matter fraction in PBHs $f_\mathrm{PBH} \gtrsim \, 0.6$ (at 90 per cent confidence) in the probed subsolar-mass range. However, if we allow for broad PBH mass distributions, we are unable to rule out fPBH = 1. For the dissipative model, where the dark matter has chemistry that allows a small fraction to cool and collapse into black holes, we find an upper bound fDBH < 10−5 on the fraction of atomic dark matter collapsed into black holes. 
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  4. 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 the peak IMBH merger rate to be2Gpc3yr1at redshiftz≈ 2.

     
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  5. Abstract

    Intermediate-mass black holes (IMBHs) are believed to be the missing link between the supermassive black holes (BHs) found at the centers of massive galaxies and BHs formed through stellar core collapse. One of the proposed mechanisms for their formation is a collisional runaway process in high-density young star clusters, where an unusually massive object forms through repeated stellar collisions and mergers, eventually collapsing to form an IMBH. This seed IMBH could then grow further through binary mergers with other stellar-mass BHs. Here we investigate the gravitational-wave (GW) signals produced during these later IMBH–BH mergers. We use a state-of-the-art semi-analytic approach to study the stellar dynamics and to characterize the rates and properties of IMBH–BH mergers. We also study the prospects for detection of these mergers by current and future GW observatories, both space-based (LISA) and ground-based (LIGO Voyager, Einstein Telescope, and Cosmic Explorer). We find that most of the merger signals could be detected, with some of them being multiband sources. Therefore, GWs represent a unique tool to test the collisional runaway scenario and to constrain the population of dynamically assembled IMBHs.

     
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