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This content will become publicly available on June 1, 2024

Title: Constraints on the Cosmic Expansion History from GWTC–3
Abstract We use 47 gravitational wave sources from the Third LIGO–Virgo–Kamioka Gravitational Wave Detector Gravitational Wave Transient Catalog (GWTC–3) to estimate the Hubble parameter H ( z ), including its current value, the Hubble constant H 0 . Each gravitational wave (GW) signal provides the luminosity distance to the source, and we estimate the corresponding redshift using two methods: the redshifted masses and a galaxy catalog. Using the binary black hole (BBH) redshifted masses, we simultaneously infer the source mass distribution and H ( z ). The source mass distribution displays a peak around 34 M ⊙ , followed by a drop-off. Assuming this mass scale does not evolve with the redshift results in a H ( z ) measurement, yielding H 0 = 68 − 8 + 12 km s − 1 Mpc − 1 (68% credible interval) when combined with the H 0 measurement from GW170817 and its electromagnetic counterpart. This represents an improvement of 17% with respect to the H 0 estimate from GWTC–1. The second method associates each GW event with its probable host galaxy in the catalog GLADE+ , statistically marginalizing over the redshifts of each event’s potential hosts. Assuming a fixed BBH population, we estimate a value of H 0 = 68 − 6 + 8 km s − 1 Mpc − 1 with the galaxy catalog method, an improvement of 42% with respect to our GWTC–1 result and 20% with respect to recent H 0 studies using GWTC–2 events. However, we show that this result is strongly impacted by assumptions about the BBH source mass distribution; the only event which is not strongly impacted by such assumptions (and is thus informative about H 0 ) is the well-localized event GW190814.  more » « less
Award ID(s):
2011334 2207920 2018420 1912632 2110507 2110460 2110360 1806990
NSF-PAR ID:
10425691
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
949
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
76
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. ABSTRACT

    Globular clusters (GCs) are found in all types of galaxies and harbour some of the most extreme stellar systems, including black holes that may dynamically assemble into merging binary black holes (BBHs). Uncertain GC properties, including when they formed, their initial masses and sizes, affect their production rate of BBH mergers. Using the gravitational-wave transient catalogue (GWTC-3), we measure that dynamically assembled BBHs – those that are consistent with isotropic spin directions – make up ${61^{+29}_{-44}\%}$ of the total merger rate, with a local merger rate of ${10.9^{+16.8}_{-9.3}}$ Gpc−3 yr−1 rising to ${58.9^{+149.4}_{-46.0}}$ Gpc−3 yr−1 at z  = 1. We assume that this inferred rate describes the contribution from GCs and compare it against the Cluster Monte Carlo (cmc) simulation catalogue to directly fit for the GC initial mass function, virial radius distribution, and formation history. We find that GC initial masses are consistent with a Schechter function with slope ${\beta _m = -1.9^{+0.8}_{-0.8}}$ . Assuming a mass function slope of βm  = −2 and a mass range between 104–$10^8\, \mathrm{ M}_\odot$ , we infer a GC formation rate at z  = 2 of ${5.0^{+9.4}_{-4.0}}$ Gpc−3 yr−1, or ${2.1^{+3.9}_{-1.7}}\times 10^6\, \mathrm{ M}_\odot$ Gpc−3 yr−1 in terms of mass density. We find that the GC formation rate probably rises more steeply than the global star formation rate between z  = 0 and z  = 3 (82 per cent credibility) and implies a local number density that is ${f_\mathrm{ev} = 22.6^{+29.9}_{-16.2}}$ times higher than the observed density of survived GCs. This is consistent with expectations for cluster evaporation, but may suggest that other environments contribute to the rate of BBH mergers with significantly tilted spins.

     
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  2. Abstract

    We introduce the first complete nonparametric model for the astrophysical distribution of the binary black hole (BBH) population. Constructed from basis splines, we use these models to conduct the most comprehensive data-driven investigation of the BBH population to date, simultaneously fitting nonparametric models for the BBH mass ratio, spin magnitude and misalignment, and redshift distributions. With GWTC-3, we report the same features previously recovered with similarly flexible models of the mass distribution, most notably the peaks in merger rates at primary masses of ∼10Mand ∼35M. Our model reports a suppressed merger rate at low primary masses and a mass-ratio distribution consistent with a power law. We infer a distribution for primary spin misalignments that peaks away from alignment, supporting conclusions of recent work. We find broad agreement with the previous inferences of the spin magnitude distribution: the majority of BBH spins are small (a< 0.5), the distribution peaks ata∼ 0.2, and there is mild support for a nonspinning subpopulation, which may be resolved with larger catalogs. With a modulated power law describing the BBH merger rate’s evolution in redshift, we see hints of the rate evolution either flattening or decreasing atz∼ 0.2–0.5, but the full distribution remains entirely consistent with a monotonically increasing power law. We conclude with a discussion of the astrophysical context of our new findings and how nonparametric methods in gravitational-wave population inference are uniquely poised to complement to the parametric approach as we enter the data-rich era of gravitational-wave astronomy.

     
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  3. Abstract We outline the “dark siren” galaxy catalog method for cosmological inference using gravitational wave (GW) standard sirens, clarifying some common misconceptions in the implementation of this method. When a confident transient electromagnetic counterpart to a GW event is unavailable, the identification of a unique host galaxy is in general challenging. Instead, as originally proposed by Schutz, one can consult a galaxy catalog and implement a dark siren statistical approach incorporating all potential host galaxies within the localization volume. Trott & Huterer recently claimed that this approach results in a biased estimate of the Hubble constant, H 0 , when implemented on mock data, even if optimistic assumptions are made. We demonstrate explicitly that, as previously shown by multiple independent groups, the dark siren statistical method leads to an unbiased posterior when the method is applied to the data correctly. We highlight common sources of error possible to make in the generation of mock data and implementation of the statistical framework, including the mismodeling of selection effects and inconsistent implementations of the Bayesian framework, which can lead to a spurious bias. 
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  4. Abstract

    The accretion disks of active galactic nuclei (AGNs) are promising locations for the merger of compact objects detected by gravitational wave (GW) observatories. Embedded within a baryon-rich, high-density environment, mergers within AGNs are the only GW channel where an electromagnetic (EM) counterpart must occur (whether detectable or not). Considering AGNs with unusual flaring activity observed by the Zwicky Transient Facility (ZTF), we describe a search for candidate EM counterparts to binary black hole (BBH) mergers detected by LIGO/Virgo in O3. After removing probable false positives, we find nine candidate counterparts to BBH mergers during O3 (seven in O3a, two in O3b) with ap-value of 0.0019. Based on ZTF sky coverage, AGN geometry, and merger geometry, we expect ≈3(NBBH/83)(fAGN/0.5) potentially detectable EM counterparts from O3, whereNBBHis the total number of observed BBH mergers andfAGNis the fraction originating in AGNs. Further modeling of breakout and flaring phenomena in AGN disks is required to reduce our false-positive rate. Two of the events are also associated with mergers with total masses >100M, which is the expected rate for O3 if hierarchical (large-mass) mergers occur in the AGN channel. Candidate EM counterparts in future GW observing runs can be better constrained by coverage of the Southern sky as well as spectral monitoring of unusual AGN flaring events in LIGO/Virgo alert volumes. A future set of reliable AGN EM counterparts to BBH mergers will yield an independent means of measuring cosmic expansion (H0) as a function of redshift.

     
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  5. ABSTRACT

    The current and next observation seasons will detect hundreds of gravitational waves (GWs) from compact binary systems coalescence at cosmological distances. When combined with independent electromagnetic measurements, the source redshift will be known, and we will be able to obtain precise measurements of the Hubble constant H0 via the distance–redshift relation. However, most observed mergers are not expected to have electromagnetic counterparts, which prevents a direct redshift measurement. In this scenario, one possibility is to use the dark sirens method that statistically marginalizes over all the potential host galaxies within the GW location volume to provide a probabilistic source redshift. Here we presented H0 measurements using two new dark sirens compared to previous analyses using DECam data: GW190924$\_$021846 and GW200202$\_$154313. The photometric redshifts of the possible host galaxies of these two events are acquired from the DECam Local Volume Exploration Survey (DELVE) carried out on the Blanco telescope at Cerro Tololo. The combination of the H0 posterior from GW190924$\_$021846 and GW200202$\_$154313 together with the bright siren GW170817 leads to $H_{0} = 68.84^{+15.51}_{-7.74}\, \rm {km\, s^{-1}\, Mpc^{-1}}$. Including these two dark sirens improves the 68  per cent confidence interval (CI) by 7  per cent over GW170817 alone. This demonstrates that the addition of well-localized dark sirens in such analysis improves the precision of cosmological measurements. Using a sample containing 10 well-localized dark sirens observed during the third LIGO/Virgo observation run, without the inclusion of GW170817, we determine a measurement of $H_{0} = 76.00^{+17.64}_{-13.45}\, \rm {km\, s^{-1}\, Mpc^{-1}}$.

     
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