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Title: Search for Eccentric Black Hole Coalescences during the Third Observing Run of LIGO and Virgo
Abstract Despite the growing number of binary black hole coalescences confidently observed through gravitational waves so far, the astrophysical origin of these binaries remains uncertain. Orbital eccentricity is one of the clearest tracers of binary formation channels. Identifying binary eccentricity, however, remains challenging due to the limited availability of gravitational waveforms that include the effects of eccentricity. Here, we present observational results for a waveform-independent search sensitive to eccentric black hole coalescences, covering the third observing run (O3) of the LIGO and Virgo detectors. We identified no new high-significance candidates beyond those that have already been identified with searches focusing on quasi-circular binaries. We determine the sensitivity of our search to high-mass (total source-frame massM> 70M) binaries covering eccentricities up to 0.3 at 15 Hz emitted gravitational-wave frequency, and use this to compare model predictions to search results. Assuming all detections are indeed quasi-circular, for our fiducial population model, we place a conservative upper limit for the merger rate density of high-mass binaries with eccentricities 0 <e≤ 0.3 at 16.9 Gpc−3yr−1at the 90% confidence level.  more » « less
Award ID(s):
2309172 2308833 2308693 2110460 2409745 2207999 2309242 2309212 2110509 2409740 2012057 2409530 2207728
PAR ID:
10572184
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Astrophysical Journal
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
973
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
132
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract The detection of orbital eccentricity for a binary black hole system via gravitational waves is a key signature to distinguish between the possible binary origins. The identification of eccentricity has been difficult so far due to the limited availability of eccentric gravitational waveforms over the full range of black hole masses and eccentricities. Here we evaluate the eccentricity of five black hole mergers detected by the LIGO and Virgo observatories using theTEOBResumS-DALI,TEOBResumS-GIOTTO, andTEOBResumSPmodels. This analysis studies eccentricities up to 0.6 at the reference frequency of 5 Hz and incorporates higher-order gravitational-wave modes critical to model emission from highly eccentric orbits. The binaries have been selected due to previous hints of eccentricity or due to their unusual mass and spin. While other studies found marginal evidence for eccentricity for some of these events, our analyses do not favor the incorporation of eccentricity compared to the quasi-circular case. While lacking the eccentric evidence of other analyses, we find our analyses marginally shifts the posterior in multiple parameters for several events when allowing eccentricity to be nonzero. 
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  2. Abstract Accurate modelling of black hole binaries is critical to achieve the science goals of gravitational-wave detectors. Modelling such configurations relies strongly on calibration to numerical-relativity (NR) simulations. Binaries on quasi-circular orbits have been widely explored in NR, however, coverage of the broader 9-dimensional parameter space, including orbital eccentricity, remains sparse. This article develops a new procedure to control orbital eccentricity of binary black hole simulations that enables choosing initial data parameters with precise control over eccentricity and mean anomaly of the subsequent evolution, as well as the coalescence time. We then calculate several sequences of NR simulations that nearly uniformly cover the 2-dimensional eccentricity--mean anomaly space for equal mass, non-spinning binary black holes. We demonstrate that, for fixed eccentricity, many quantities related to the merger dynamics of binary black holes show an oscillatory dependence on mean anomaly. The amplitude of these oscillations scales nearly linearly with the eccentricity of the system. We find that for the eccentricities explored in this work, the magnitude of deviations in various quantities such as the merger amplitude and peak luminosity can approach $$\sim5\%$$ of their quasi-circular value. We use our findings to explain eccentric phenomena reported in other studies. We also show that methods for estimating the remnant mass employed in the effective-one-body approach exhibit similar deviations, roughly matching the amplitude of the oscillations we find in NR simulations. This work is an important step towards a complete description of eccentric binary black hole mergers, and demonstrates the importance of considering the entire 2-dimensional parameter subspace related to eccentricity. 
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  3. Detections of gravitational waves emitted from binary black hole coalescences allow us to probe the strong-field dynamics of general relativity (GR). One can compare the observed gravitational-wave signals with theoretical waveform models to constrain possible deviations from GR. Any physics that is not included in these waveform models might show up as apparent GR deviations. The waveform models used in current tests of GR describe binaries on quasicircular orbits, since most of the binaries detected by ground-based gravitational-wave detectors are expected to have negligible eccentricities. Thus, a signal from an eccentric binary in GR is likely to show up as a deviation from GR in the current implementation of these tests. We study the response of four standard tests of GR to eccentric binary black hole signals with the forecast O4 sensitivity of the LIGO-Virgo network. Specifically, we consider two parametrized tests (TIGER and FTI), the modified dispersion relation test, and the inspiral-merger-ringdown consistency test. To model eccentric signals, we use nonspinning numerical relativity simulations from the SXS catalog with three mass ratios (1, 2, 3), which we scale to a redshifted total mass of 80M⊙ and luminosity distance of 400 Mpc. For each of these mass ratios, we consider signals with eccentricities of ∼0.05 and ∼0.1 at 17 Hz. We find that signals with larger eccentricity lead to very significant false GR deviations in most tests while signals having smaller eccentricity lead to significant deviations in some tests. For the larger eccentricity cases, one would even get a deviation from GR with TIGER at ∼90% credibility at a distance of ≳1.5 Gpc. Thus, it will be necessary to exclude the possibility of an eccentric binary in order to make any claim about detecting a deviation from GR. 
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  4. We determine the ability of Cosmic Explorer, a proposed third-generation gravitational-wave observatory, to detect eccentric binary neutron stars and to measure their eccentricity. We find that for a matched-filter search, template banks constructed using binaries in quasicircular orbits are effectual for eccentric neutron star binaries with e<0.004 (e<0.003)is the binary’s eccentricity at a gravitational-wave frequency of 7 Hz. We show that stochastic template placement can be used to construct a matched-filter search for binaries with larger eccentricities and construct an effectual template bank for binaries with e<0.05. We show that the computational cost of both the search for binaries in quasicircular orbits and eccentric orbits is not significantly larger for Cosmic Explorer than for Advanced LIGO and is accessible with present-day computational resources. We investigate Cosmic Explorer’s ability to distinguish between circular and eccentric binaries. We estimate that for a binary with a signal-to-noise ratio of 20 (800), Cosmic Explorer can distinguish between a circular binary and a binary with eccentricity e>~1e-2 (1e-3) at 90% confidence. 
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  5. ABSTRACT We examine massive black hole (MBH) mergers and their associated gravitational wave signals from the large-volume cosmological simulation Astrid . Astrid includes galaxy formation and black hole models recently updated with an MBH seed population between 3 × 104h−1M⊙ and 3 × 105h−1M⊙ and a sub-grid dynamical friction (DF) model to follow the MBH dynamics down to 1.5 ckpc h−1. We calculate the initial eccentricities of MBH orbits directly from the simulation at kpc-scales, and find orbital eccentricities above 0.7 for most MBH pairs before the numerical merger. After approximating unresolved evolution on scales below $${\sim 200\, \text{pc}}$$, we find that the in-simulation DF on large scales accounts for more than half of the total orbital decay time ($$\sim 500\, \text{Myr}$$) due to DF. The binary hardening time is an order of magnitude longer than the DF time, especially for the seed-mass binaries (MBH < 2Mseed). As a result, only $$\lesssim 20{{\rm per \,cent}}$$ of seed MBH pairs merge at z > 3 after considering both unresolved DF evolution and binary hardening. These z > 3 seed-mass mergers are hosted in a biased population of galaxies with the highest stellar masses of $$\gt 10^9\, {\rm M}_\odot$$. With the higher initial eccentricity prediction from Astrid , we estimate an expected merger rate of 0.3−0.7 per year from the z > 3 MBH population. This is a factor of ∼7 higher than the prediction using the circular orbit assumption. The Laser Interferometer Space Antenna events are expected at a similar rate, and comprise $$\gtrsim 60\,{\rm{per\,cent}}$$ seed-seed mergers, $$\sim 30\,{\rm{per\,cent}}$$ involving only one seed-mass MBH, and $$\sim 10\,{\rm{per\,cent}}$$ mergers of non-seed MBHs. 
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