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This content will become publicly available on October 28, 2026

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
PAR ID:
10658216
Author(s) / Creator(s):
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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
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  1. 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. 
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  2. 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. 
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  3. 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. 
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  4. ABSTRACT Neutron star–black hole (NSBH) mergers detected in gravitational waves have the potential to shed light on supernova physics, the dense matter equation of state, and the astrophysical processes that power their potential electromagnetic counterparts. We use the population of four candidate NSBH events detected in gravitational waves so far with a false alarm rate ≤1 yr−1 to constrain the mass and spin distributions and multimessenger prospects of these systems. We find that the black holes in NSBHs are both less massive and have smaller dimensionless spins than those in black hole binaries. We also find evidence for a mass gap between the most massive neutron stars and least massive black holes in NSBHs at 98.6-per cent credibility. Using an approach driven by gravitational-wave data rather than binary simulations, we find that fewer than 14 per cent of NSBH mergers detectable in gravitational waves will have an electromagnetic counterpart. While the inferred presence of a mass gap and fraction of sources with a counterpart depend on the event selection and prior knowledge of source classification, the conclusion that the black holes in NSBHs have lower masses and smaller spin parameters than those in black hole binaries is robust. Finally, we propose a method for the multimessenger analysis of NSBH mergers based on the non-detection of an electromagnetic counterpart and conclude that, even in the most optimistic case, the constraints on the neutron star equation of state that can be obtained with multimessenger NSBH detections are not competitive with those from gravitational-wave measurements of tides in binary neutron star mergers and radio and X-ray pulsar observations. 
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  5. ABSTRACT Galactic nuclei are potential hosts for intermediate-mass black holes (IMBHs), whose gravitational field can affect the motion of stars and compact objects. The absence of observable perturbations in our own Galactic Centre has resulted in a few constraints on the mass and orbit of a putative IMBH. Here, we show that the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) can further constrain these parameters if the IMBH forms a binary with a compact remnant (a white dwarf, a neutron star, or a stellar-mass black hole), as the gravitational-wave signal from the binary will exhibit Doppler-shift variations as it orbits around Sgr A*. We argue that this method is the most effective for IMBHs with masses $$10^3\, \mathrm{ M}_\odot \lesssim M_{\rm IMBH}\lesssim 10^5\, \mathrm{ M}_\odot$$ and distances of 0.1–2 mpc with respect to the supermassive black hole, a region of the parameter space partially unconstrained by other methods. We show that in this region the Doppler shift is most likely measurable whenever the binary is detected in the LISA band, and it can help constrain the mass and orbit of a putative IMBH in the centre of our Galaxy. We also discuss possible ways for an IMBH to form a binary in the Galactic Centre, showing that gravitational-wave captures of stellar-mass black holes and neutron stars are the most efficient channel. 
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