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Title: Search for Gravitational-lensing Signatures in the Full Third Observing Run of the LIGO–Virgo Network
Abstract Gravitational lensing by massive objects along the line of sight to the source causes distortions to gravitational wave (GW) signals; such distortions may reveal information about fundamental physics, cosmology, and astrophysics. In this work, we have extended the search for lensing signatures to all binary black hole events from the third observing run of the LIGO-Virgo network. We search for repeated signals from strong lensing by (1) performing targeted searches for subthreshold signals, (2) calculating the degree of overlap among the intrinsic parameters and sky location of pairs of signals, (3) comparing the similarities of the spectrograms among pairs of signals, and (4) performing dual-signal Bayesian analysis that takes into account selection effects and astrophysical knowledge. We also search for distortions to the gravitational waveform caused by (1) frequency-independent phase shifts in strongly lensed images, and (2) frequency-dependent modulation of the amplitude and phase due to point masses. None of these searches yields significant evidence for lensing. Finally, we use the nondetection of GW lensing to constrain the lensing rate based on the latest merger-rate estimates and the fraction of dark matter composed of compact objects.  more » « less
Award ID(s):
2207758 2110509 2308833 2207594 2308693 2110460 2103662 2207999 2309242 2308881 2012057 2309172 2409530 2438319 2011334 2207728 2110060
PAR ID:
10533123
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
the American Astronomical Society
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
970
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
191
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. ABSTRACT Along their path from source to observer, gravitational waves may be gravitationally lensed by massive objects leading to distortion in the signals. Searches for these distortions amongst the observed signals from the current detector network have already been carried out, though there have as yet been no confident detections. However, predictions of the observation rate of lensing suggest detection in the future is a realistic possibility. Therefore, preparations need to be made to thoroughly investigate the candidate lensed signals. In this work, we present some follow-up analyses that could be applied to assess the significance of such events and ascertain what information may be extracted about the lens-source system by applying these analyses to a number of O3 candidate events, even if these signals did not yield a high significance for any of the lensing hypotheses. These analyses cover the strong lensing, millilensing, and microlensing regimes. Applying these additional analyses does not lead to any additional evidence for lensing in the candidates that have been examined. However, it does provide important insight into potential avenues to deal with high-significance candidates in future observations. 
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  2. Abstract We search for signatures of gravitational lensing in the gravitational-wave signals from compact binary coalescences detected by Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) and Advanced Virgo during O3a, the first half of their third observing run. We study: (1) the expected rate of lensing at current detector sensitivity and the implications of a non-observation of strong lensing or a stochastic gravitational-wave background on the merger-rate density at high redshift; (2) how the interpretation of individual high-mass events would change if they were found to be lensed; (3) the possibility of multiple images due to strong lensing by galaxies or galaxy clusters; and (4) possible wave-optics effects due to point-mass microlenses. Several pairs of signals in the multiple-image analysis show similar parameters and, in this sense, are nominally consistent with the strong lensing hypothesis. However, taking into account population priors, selection effects, and the prior odds against lensing, these events do not provide sufficient evidence for lensing. Overall, we find no compelling evidence for lensing in the observed gravitational-wave signals from any of these analyses. 
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  3. Abstract Detecting gravitational waves (GWs) from coalescing compact binaries has become routine with ground-based detectors like Advanced LIGO and Advanced Virgo. However, beyond standard sources such as binary black holes and neutron stars and neutron star black holes, no exotic sources revealing new physics have been discovered. Detecting ultracompact objects, such as subsolar mass (SSM), offers a promising opportunity to explore diverse astrophysical populations. However, searching for these objects using standard matched-filtering techniques is computationally intensive due to the dense parameter space involved. This increasing computational demand not only challenges current search methodologies but also poses a significant obstacle for third-generation (3G) ground-based GW detectors. In the 3G detectors, signals are expected to be observed for tens of minutes and detection rates to reach one per minute. This requires efficient search strategies to manage the computational load of long-duration signal search. In this paper, we demonstrate how hierarchical search strategies can address the computational challenges associated with detecting long-duration signals in current detectors and the 3G era. Using SSM searches as an example, we show that optimizing data sampling rates and adjusting the number of templates in matched filtering at each stage of low-frequency searches can improve the signal-to-noise ratio by 6% and detection volume by 10%–20%. This sensitivity improvement is achieved with a 2.5-fold reduction in computational time compared to standard PyCBC searches. We also discuss how this approach could be adapted and refined for searches involving eccentric and precessing binaries with future detectors. 
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  4. ABSTRACT In this study, we investigate the impact of microlensing on gravitational wave (GW) signals in the LIGO−Virgo sensitivity band. Microlensing caused by an isolated point lens, with (redshifted) mass ranging from MLz ∈ (1,  105) M⊙ and impact parameter y ∈ (0.01,  5), can result in a maximum mismatch of $$\sim 30~{{\ \rm per\ cent}}$$ with their unlensed counterparts. When y < 1, it strongly anticorrelates with the luminosity distance enhancing the detection horizon and signal-to-noise ratio (SNR). Biases in inferred source parameters are assessed, with in-plane spin components being the most affected intrinsic parameters. The luminosity distance is often underestimated, while sky-localization and trigger times are mostly well-recovered. Study of a population of microlensed signals due to an isolated point lens primarily reveals: (i) using unlensed templates during the search causes fractional loss (20 per cent to 30 per cent) of potentially identifiable microlensed signals; (ii) the observed distribution of y challenges the notion of its high improbability at low values (y ≲ 1), especially for y ≲ 0.1; (iii) Bayes factor analysis of the population indicates that certain region in MLz − y parameter space have a higher probability of being detected and accurately identified as microlensed. Notably, the microlens parameters for the most compelling candidate identified in previous microlensing searches, GW200208_130117, fall within a 1σ range of the aforementioned higher probability region. Identifying microlensing signatures from MLz < 100 M⊙ remains challenging due to small microlensing effects at typical SNR values. Additionally, we also examined how microlensing from a population of microlenses influences the detection of strong lensing signatures in pairs of GW events, particularly in the posterior-overlap analysis. 
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  5. Abstract As the gravitational-wave (GW) detector network is upgraded and the sensitivity of the detectors improves, novel scientific avenues open for exploration. For example, tests of general relativity (GR) will become more accurate as smaller deviations can be probed. Additionally, the detection of lensed GWs becomes more likely. However, these new avenues could also interact with each other, and a GW event presenting deviations from GR could be mistaken for a lensed one. Here, we explore how phenomenological deviations from GR or binaries of exotic compact objects could impact those lensing searches focusing on a single event. We consider strong lensing, millilensing, and microlensing, and find that certain phenomenological deviations from GR may be mistaken for all of these types of lensing. Therefore, our study shows that future candidate lensing events would need to be carefully examined to avoid a false claim of lensing where instead a deviation from GR has been seen. 
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