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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 of 55 47 + 127 Gpc 3 yr 1 for 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.  more » « less
Award ID(s):
2219109 1653374 2110594 2307147 2110509 2201445 2018299 2309085 2308833 2308693 2110460 2409745 2103662 2207999 2309242 2308881 2309212 2409740 2012057 2309172 2409530 2438319 2006384 2207728 2110441
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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  2. 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 is 2.7 0.4 + 0.5 M (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 at 5.4 1.0 + 0.7 M . 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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  3. 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 be 2 Gpc 3 yr 1 at redshiftz≈ 2. 
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