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This content will become publicly available on July 26, 2025

Title: Observation of Gravitational Waves from the Coalescence of a 2.5–4.5 M ⊙ Compact Object and a Neutron Star
Abstract

We report the observation of a coalescing compact binary with component masses 2.5–4.5Mand 1.2–2.0M(all measurements quoted at the 90% credible level). The gravitational-wave signal GW230529_181500 was observed during the fourth observing run of the LIGO–Virgo–KAGRA detector network on 2023 May 29 by the LIGO Livingston observatory. The primary component of the source has a mass less than 5Mat 99% credibility. We cannot definitively determine from gravitational-wave data alone whether either component of the source is a neutron star or a black hole. However, given existing estimates of the maximum neutron star mass, we find the most probable interpretation of the source to be the coalescence of a neutron star with a black hole that has a mass between the most massive neutron stars and the least massive black holes observed in the Galaxy. We provisionally estimate a merger rate density of5547+127Gpc3yr1for compact binary coalescences with properties similar to the source of GW230529_181500; assuming that the source is a neutron star–black hole merger, GW230529_181500-like sources may make up the majority of neutron star–black hole coalescences. The discovery of this system implies an increase in the expected rate of neutron star–black hole mergers with electromagnetic counterparts and provides further evidence for compact objects existing within the purported lower mass gap.

 
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Award ID(s):
2219109 1653374 2110594 2307147 2110509
NSF-PAR ID:
10527763
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
IOP
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal Letters
Volume:
970
Issue:
2
ISSN:
2041-8205
Page Range / eLocation ID:
L34
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract

    The presence of magnetic fields in the late inspiral of black hole–neutron star binaries could lead to potentially detectable electromagnetic precursor transients. Using general-relativistic force-free electrodynamics simulations, we investigate premerger interactions of the common magnetosphere of black hole–neutron star systems. We demonstrate that these systems can feature copious electromagnetic flaring activity, which we find depends on the magnetic field orientation but not on black hole spin. Due to interactions with the surrounding magnetosphere, these flares could lead to fast-radio-burst-like transients and X-ray emission, withEM1041B*/1012G2ergs1as an upper bound on the luminosity, whereB*is the magnetic field strength on the surface of the neutron star.

     
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  2. Abstract

    We report new radio observations of SDSS J090122.37+181432.3, a strongly lensed star-forming galaxy atz= 2.26. We image 1.4 GHz (L-band) and 3 GHz (S-band) continuum using the Very Large Array (VLA) and 1.2 mm (band 6) continuum with Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, in addition to the CO(7–6) and Ci(3P23P1) lines, all at ≲1.″7 resolution. Based on the VLA integrated flux densities, we decompose the radio spectrum into its free–free (FF) and nonthermal components. The infrared–radio correlation parameterqTIR=2.650.31+0.24is consistent with expectations for star-forming galaxies. We obtain radio continuum-derived star formation rates (SFRs) that are free of dust extinction, finding620220+280Myr1,230160+570Myr1, and280120+460Myr1from the FF emission, nonthermal emission, and when accounting for both emission processes, respectively, in agreement with previous results. We estimate the gas mass from the Ci(3P23P1) line asMgas= (1.2 ± 0.2) × 1011M, which is consistent with prior CO(1–0)-derived gas masses. Using our new IR and radio continuum data to map the SFR, we assess the dependence of the Schmidt–Kennicutt relation on choices of SFR and gas tracer for ∼kpc scales. The different SFR tracers yield different slopes, with the IR being the steepest, potentially due to highly obscured star formation in J0901. The radio continuum maps have the lowest slopes and overall fidelity for mapping the SFR, despite producing consistent total SFRs. We also find that the Schmidt–Kennicutt relation slope is flattest when using CO(7–6) or Ci(3P23P1) to trace gas mass, suggesting that those transitions are not suitable for tracing the bulk molecular gas in galaxies like J0901.

     
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  3. Abstract

    Gravitational-wave (GW) detections of merging neutron star–black hole (NSBH) systems probe astrophysical neutron star (NS) and black hole (BH) mass distributions, especially at the transition between NS and BH masses. Of particular interest are the maximum NS mass, minimum BH mass, and potential mass gap between them. While previous GW population analyses assumed all NSs obey the same maximum mass, if rapidly spinning NSs exist, they can extend to larger maximum masses than nonspinning NSs. In fact, several authors have proposed that the ∼2.6Mobject in the event GW190814—either the most massive NS or least massive BH observed to date—is a rapidly spinning NS. We therefore infer the NSBH mass distribution jointly with the NS spin distribution, modeling the NS maximum mass as a function of spin. Using four LIGO–Virgo NSBH events including GW190814, if we assume that the NS spin distribution is uniformly distributed up to the maximum (breakup) spin, we infer the maximum nonspinning NS mass is2.70.4+0.5M(90% credibility), while assuming only nonspinning NSs, the NS maximum mass must be >2.53M(90% credibility). The data support the mass gap’s existence, with a minimum BH mass at5.41.0+0.7M. With future observations, under simplified assumptions, 150 NSBH events may constrain the maximum nonspinning NS mass to ±0.02M, and we may even measure the relation between the NS spin and maximum mass entirely from GW data. If rapidly rotating NSs exist, their spins and masses must be modeled simultaneously to avoid biasing the NS maximum mass.

     
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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

    We measure the CO-to-H2conversion factor (αCO) in 37 galaxies at 2 kpc resolution, using the dust surface density inferred from far-infrared emission as a tracer of the gas surface density and assuming a constant dust-to-metal ratio. In total, we have ∼790 and ∼610 independent measurements ofαCOfor CO (2–1) and (1–0), respectively. The mean values forαCO (2–1)andαCO (1–0)are9.35.4+4.6and4.22.0+1.9Mpc2(Kkms1)1, respectively. The CO-intensity-weighted mean is 5.69 forαCO (2–1)and 3.33 forαCO (1–0). We examine howαCOscales with several physical quantities, e.g., the star formation rate (SFR), stellar mass, and dust-mass-weighted average interstellar radiation field strength (U¯). Among them,U¯, ΣSFR, and the integrated CO intensity (WCO) have the strongest anticorrelation with spatially resolvedαCO. We provide linear regression results toαCOfor all quantities tested. At galaxy-integrated scales, we observe significant correlations betweenαCOandWCO, metallicity,U¯, and ΣSFR. We also find thatαCOin each galaxy decreases with the stellar mass surface density (Σ) in high-surface-density regions (Σ≥ 100Mpc−2), following the power-law relationsαCO(21)Σ0.5andαCO(10)Σ0.2. The power-law index is insensitive to the assumed dust-to-metal ratio. We interpret the decrease inαCOwith increasing Σas a result of higher velocity dispersion compared to isolated, self-gravitating clouds due to the additional gravitational force from stellar sources, which leads to the reduction inαCO. The decrease inαCOat high Σis important for accurately assessing molecular gas content and star formation efficiency in the centers of galaxies, which bridge “Milky Way–like” to “starburst-like” conversion factors.

     
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