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Title: GW231123: A Binary Black Hole Merger with Total Mass 190–265 M ⊙
Abstract On 2023 November 23, the two LIGO observatories both detected GW231123, a gravitational-wave signal consistent with the merger of two black holes with masses 13 7 18 + 23 M and 10 1 50 + 22 M (90% credible intervals), at a luminosity distance of 0.7–4.1 Gpc, a redshift of 0.4 0 0.25 + 0.27 , and with a network signal-to-noise ratio of ∼20.7. Both black holes exhibit high spins— 0.9 0 0.19 + 0.10 and 0.8 0 0.52 + 0.20 , respectively. A massive black hole remnant is supported by an independent ringdown analysis. Some properties of GW231123 are subject to large systematic uncertainties, as indicated by differences in the inferred parameters between signal models. The primary black hole lies within or above the theorized mass gap where black holes between 60–130Mshould be rare, due to pair-instability mechanisms, while the secondary spans the gap. The observation of GW231123 therefore suggests the formation of black holes from channels beyond standard stellar collapse and that intermediate-mass black holes of mass ∼200Mform through gravitational-wave-driven mergers.  more » « less
Award ID(s):
2309161 2146528 2110594
PAR ID:
10653926
Author(s) / Creator(s):
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Publisher / Repository:
IOP science
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal Letters
Volume:
993
Issue:
1
ISSN:
2041-8205
Page Range / eLocation ID:
L25
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract In the pursuit of understanding the population of stellar remnants within the Milky Way, we analyze the sample of ∼950 microlensing events observed by the Spitzer Space Telescope between 2014 and 2019. In this study we focus on a subsample of nine microlensing events, selected based on their long timescales, small microlensing parallaxes, and joint observations by the Gaia mission, to increase the probability that the chosen lenses are massive and the mass is measurable. Among the selected events we identify lensing black holes and neutron star candidates, with potential confirmation through forthcoming release of the Gaia time-series astrometry in 2026. Utilizing Bayesian analysis and Galactic models, along with the Gaia Data Release 3 proper-motion data, four good candidates for dark remnants were identified: OGLE-2016-BLG-0293, OGLE-2018-BLG-0483, OGLE-2018-BLG-0662, and OGLE-2015-BLG-0149, with lens masses of 3.0 1.3 + 1.8 M , 4.7 2.1 + 3.2 M , 3.15 0.64 + 0.66 M and 1.40 0.55 + 0.75 M , respectively. Notably, the first two candidates are expected to exhibit astrometric microlensing signals detectable by Gaia, offering the prospect of validating the lens masses. The methodologies developed in this work will be applied to the full Spitzer microlensing sample, populating and analyzing the timescale (tE) versus parallax (πE) diagram to derive constraints on the population of lenses in general and massive remnants in particular. 
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  2. 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)are 9.3 5.4 + 4.6 and 4.2 2.0 + 1.9 M pc 2 ( K km s 1 ) 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 relations α CO ( 2 1 ) Σ 0.5 and α CO ( 1 0 ) Σ 0.2 . 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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  3. Abstract Brown dwarfs bridge the gap between stars and planets, providing valuable insight into both planetary and stellar-formation mechanisms. Yet the census of transiting brown-dwarf companions, in particular around M-dwarf stars, remains incomplete. We report the discovery of two transiting brown dwarfs around low-mass hosts using a combination of space- and ground-based photometry along with near-infrared radial velocities. We characterize TOI-5389Ab ( 68 . 0 2.2 + 2.2 M J ) and TOI-5610b ( 40 . 4 1.0 + 1.0 M J ), two moderately massive brown dwarfs orbiting early M-dwarf hosts (Teff = 3569 ± 59 K and 3618 ± 59 K, respectively). For TOI-5389Ab, the best fitting parameters are periodP = 10.40046 ± 0.00002 days, radius R BD = 0.82 4 0.031 + 0.033 RJ, and low eccentricity e = 0.096 2 0.0046 + 0.0027 . In particular, this constitutes one of the most extreme substellar-stellar companion-to-host mass ratios ofq= 0.150. For TOI-5610b, the best-fitting parameters are periodP = 7.95346 ± 0.00002 days, radius R BD = 0.88 7 0.031 + 0.031 RJ, and moderate eccentricity e = 0.35 4 0.012 + 0.011 . Both targets are expected to have shallow, but potentially observable, occultations: ≲500 ppm in the JohnsonKband. A statistical analysis of M-dwarf/BD systems reveals for the first time that those at short orbital periods (P < 13 days) exhibit a dearth of 13MJ < MBD < 40MJcompanions (q < 0.1) compared to those at slightly wider separations. 
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  4. Abstract We present the analysis of a microlensing event KMT-2022-BLG-0086 of which the overall light curve is not described by a binary-lens single-source (2L1S) model, which suggests the existence of an extra lens or an extra source. We found that the event is best explained by the binary-lens binary-source (2L2S) model, but the 2L2S model is only favored over the triple-lens single-source (3L1S) model by Δχ2 ≃ 9. Although the event has noticeable anomalies around the peak of the light curve, they are not enough covered to constrain the angular Einstein radiusθE, thus we only measure the minimum angular Einstein radius θ E , min . From the Bayesian analysis, it is found that that the binary lens system is a binary star with masses of ( m 1 , m 2 ) = ( 0.4 6 0.25 + 0.35 M , 0.7 5 0.55 + 0.67 M ) at a distance of D L = 5.8 7 1.79 + 1.21 kpc, while the triple lens system is a brown dwarf or a massive giant planet in a low-mass binary-star system with masses of ( m 1 , m 2 , m 3 ) = ( 0.4 3 0.35 + 0.41 M , 0.05 6 0.047 + 0.055 M , 20.8 4 17.04 + 20.20 M J ) at a distance of D L = 4.0 6 3.28 + 1.39 kpc, indicating a disk lens system. The 2L2S model yields the relative lens-source proper motion ofμrel ≥ 4.6 mas yr−1that is consistent with the Bayesian result, whereas the 3L1S model yieldsμrel ≥ 18.9 mas yr−1, which is more than three times larger than that of a typical disk object of ∼6 mas yr−1and thus is not consistent with the Bayesian result. This suggests that the event is likely caused by the binary-lens binary-source model. 
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  5. Abstract We report the discovery of a close-in (Porb= 3.349 days) warm Neptune with clear transit timing variations (TTVs) orbiting the nearby (d= 47.3 pc) active M4 star, TOI-2015. We characterize the planet's properties using Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) photometry, precise near-infrared radial velocities (RVs) with the Habitable-zone Planet Finder Spectrograph, ground-based photometry, and high-contrast imaging. A joint photometry and RV fit yields a radius R p = 3.37 0.20 + 0.15 R , mass m p = 16.4 4.1 + 4.1 M , and density ρ p = 2.32 0.37 + 0.38 g cm 3 for TOI-2015 b, suggesting a likely volatile-rich planet. The young, active host star has a rotation period ofProt= 8.7 ± 0.9 days and associated rotation-based age estimate of 1.1 ± 0.1 Gyr. Though no other transiting planets are seen in the TESS data, the system shows clear TTVs of super-period P sup 430 days and amplitude ∼100 minutes. After considering multiple likely period-ratio models, we show an outer planet candidate near a 2:1 resonance can explain the observed TTVs while offering a dynamically stable solution. However, other possible two-planet solutions—including 3:2 and 4:3 resonances—cannot be conclusively excluded without further observations. Assuming a 2:1 resonance in the joint TTV-RV modeling suggests a mass of m b = 13.3 4.5 + 4.7 M for TOI-2015 b and m c = 6.8 2.3 + 3.5 M for the outer candidate. Additional transit and RV observations will be beneficial to explicitly identify the resonance and further characterize the properties of the system. 
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