skip to main content
US FlagAn official website of the United States government
dot gov icon
Official websites use .gov
A .gov website belongs to an official government organization in the United States.
https lock icon
Secure .gov websites use HTTPS
A lock ( lock ) or https:// means you've safely connected to the .gov website. Share sensitive information only on official, secure websites.

Attention:

The NSF Public Access Repository (PAR) system and access will be unavailable from 10:00 PM ET on Friday, February 6 until 10:00 AM ET on Saturday, February 7 due to maintenance. We apologize for the inconvenience.


Title: GW241011 and GW241110: Exploring Binary Formation and Fundamental Physics with Asymmetric, High-spin Black Hole Coalescences
Abstract We report the observation of gravitational waves from two binary black hole coalescences during the fourth observing run of the LIGO–Virgo–KAGRA detector network, GW241011 and GW241110. The sources of these two signals are characterized by rapid and precisely measured primary spins, nonnegligible spin–orbit misalignment, and unequal mass ratios between their constituent black holes. These properties are characteristic of binaries in which the more massive object was itself formed from a previous binary black hole merger and suggest that the sources of GW241011 and GW241110 may have formed in dense stellar environments in which repeated mergers can take place. As the third-loudest gravitational-wave event published to date, with a median network signal-to-noise ratio of 36.0, GW241011 furthermore yields stringent constraints on the Kerr nature of black holes, the multipolar structure of gravitational-wave generation, and the existence of ultralight bosons within the mass range 10−13–10−12eV.  more » « less
Award ID(s):
2146528 2110594
PAR ID:
10658216
Author(s) / Creator(s):
; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; more » ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; « less
Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
IOP Publishing
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal Letters
Volume:
993
Issue:
1
ISSN:
2041-8205
Page Range / eLocation ID:
L21
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. Abstract Over a hundred gravitational-wave (GW) detections and candidates have been reported from the first three observing runs of the Advanced LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) detectors. Among these, the most intriguing events are binary black hole mergers that result in a “lite” intermediate-mass black hole (IMBH) of ∼102M, such as GW170502 and GW190521. In this study, we investigate 11 GW candidates from LVK’s third observing run with total detector-frame masses in the lite IMBH range. Using the Bayesian inference algorithmRIFT, we systematically analyze these candidates with three state-of-the-art waveform models that incorporate higher harmonics, which are crucial for resolving lite IMBHs in LVK data. For each candidate, we infer the premerger and postmerger black hole masses in the source frame, along with black hole spin projections across all three models. Under the assumption that these are binary black hole mergers, our analysis finds that five have a postmerger lite IMBH with masses ranging from 110 to 350Mwith over 90% confidence interval. Additionally, we note that one of their premerger black holes is within the pair-instability supernova mass gap (60–120M), and two premerger black holes are above the mass gap. Furthermore, we report discrepancies among the three waveform models in intrinsic parameters, with at least three GW candidates showing deviations beyond accepted statistical limits. While the astrophysical certainty of these candidates cannot be established, our study provides a foundation to probe the lite IMBH population that emerge within the low-frequency noise spectrum of LVK detectors. 
    more » « less
  2. ABSTRACT The detection of an intermediate-mass black hole population (102–106 M⊙) will provide clues to their formation environments (e.g. discs of active galactic nuclei, globular clusters) and illuminate a potential pathway to produce supermassive black holes. Ground-based gravitational-wave detectors are sensitive to mergers that can form intermediate-mass black holes weighing up to ∼450 M⊙. However, ground-based detector data contain numerous incoherent short duration noise transients that can mimic the gravitational-wave signals from merging intermediate-mass black holes, limiting the sensitivity of searches. Here, we follow-up on binary black hole merger candidates using a ranking statistic that measures the coherence or incoherence of triggers in multiple-detector data. We use this statistic to rank candidate events, initially identified by all-sky search pipelines, with lab-frame total masses ≳ 55 M⊙ using data from LIGO’s second observing run. Our analysis does not yield evidence for new intermediate-mass black holes. However, we find support for eight stellar-mass binary black holes not reported in the first LIGO–Virgo gravitational wave transient catalogue GWTC-1, seven of which have been previously reported by other catalogues. 
    more » « less
  3. Abstract Dynamical interactions in dense star clusters could significantly influence the properties of black holes, leaving imprints on their gravitational-wave signatures. While previous studies have mostly focused on repeated black hole mergers for spin and mass growth, this work examines the impact of physical collisions and close encounters between black holes and (noncompact) stars. Using Monte CarloN-body models of dense star clusters, we find that a large fraction of black holes retained upon formation undergo collisions with stars. Within our explored cluster models, the proportion of binary black hole mergers affected by stellar collisions ranges from 10%–60%. If all stellar-mass black holes are initially nonspinning, we find that up to 40% of merging binary black holes may have components with dimensionless spin parameterχ ≳ 0.2 because of prior stellar collisions, while typically about 10% have spins nearχ = 0.7 from prior black hole mergers. We demonstrate that young star clusters are especially important environments, as they can produce collisions of black holes with very massive stars, allowing for significant spin-up of the black holes through accretion. Our predictions for black hole spin distributions from these stellar collisions highlight their sensitivity to accretion efficiency, underscoring the need for detailed hydrodynamic calculations to better understand the accretion physics following these interactions. 
    more » « less
  4. Abstract We present our current best estimate of the plausible observing scenarios for the Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA gravitational-wave detectors over the next several years, with the intention of providing information to facilitate planning for multi-messenger astronomy with gravitational waves. We estimate the sensitivity of the network to transient gravitational-wave signals for the third (O3), fourth (O4) and fifth observing (O5) runs, including the planned upgrades of the Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors. We study the capability of the network to determine the sky location of the source for gravitational-wave signals from the inspiral of binary systems of compact objects, that is binary neutron star, neutron star–black hole, and binary black hole systems. The ability to localize the sources is given as a sky-area probability, luminosity distance, and comoving volume. The median sky localization area (90% credible region) is expected to be a few hundreds of square degrees for all types of binary systems during O3 with the Advanced LIGO and Virgo (HLV) network. The median sky localization area will improve to a few tens of square degrees during O4 with the Advanced LIGO, Virgo, and KAGRA (HLVK) network. During O3, the median localization volume (90% credible region) is expected to be on the order of $$10^{5}, 10^{6}, 10^{7}\mathrm {\ Mpc}^3$$ 10 5 , 10 6 , 10 7 Mpc 3 for binary neutron star, neutron star–black hole, and binary black hole systems, respectively. The localization volume in O4 is expected to be about a factor two smaller than in O3. We predict a detection count of $$1^{+12}_{-1}$$ 1 - 1 + 12 ( $$10^{+52}_{-10}$$ 10 - 10 + 52 ) for binary neutron star mergers, of $$0^{+19}_{-0}$$ 0 - 0 + 19 ( $$1^{+91}_{-1}$$ 1 - 1 + 91 ) for neutron star–black hole mergers, and $$17^{+22}_{-11}$$ 17 - 11 + 22 ( $$79^{+89}_{-44}$$ 79 - 44 + 89 ) for binary black hole mergers in a one-calendar-year observing run of the HLV network during O3 (HLVK network during O4). We evaluate sensitivity and localization expectations for unmodeled signal searches, including the search for intermediate mass black hole binary mergers. 
    more » « less
  5. This dataset contains the compact binary populations that were used in the Cosmic Explorer MPSAC White paper1 (submitted to the NSF MPSAC ngGW Subcommittee) and the accompanying technical paper2. Contents: 1. 1-year populations for binary black hole (BBH), binary neutron star (BNS), neutron star-black hole (NSBH), intermediate mass binary black hole (IMBBH), Population III (Pop 3) binary black holes and primordial black hole (PBH) mergers. It also contains the SNRs and measurement errors on intrinsic and extrinsic parameters calculated using gwbench3. 2. 1/4-year sub-population of BNS mergers for which errors on tidal parameters were calculated. 3. An ipython notebook (instructions.ipynb) that shows how the data can be used. References: 1. Evans, Matthew et al. Cosmic Explorer: A Submission to the NSF MPSAC ngGW Subcommittee (2023). arXiv: 2306.13745 [gr-qc]. 2. Gupta, Ish et al. Characterizing Gravitational Wave Detector Networks: From A# to Cosmic Explorer (2023). In preparation. 3. Borhanian, Ssohrab. GWBENCH: a novel Fisher information package for gravitational-wave benchmarking. Class. Quant. Grav. 38, 175014 (2021). arXiv: 2010.15202 [gr-qc]. 
    more » « less