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Title: Black Hole Spectroscopy and Tests of General Relativity with GW250114
The binary black hole signal GW250114, the loudest gravitational wave detected to date, offers a unique opportunity to test Einstein’s general relativity (GR) in the high-velocity, strong-gravity regime and probe whether the remnant conforms to the Kerr metric. Upon perturbation, black holes emit a spectrum of damped sinusoids with specific, complex frequencies. Our analysis of the postmerger signal shows that at least two quasinormal modes are required to explain the data, with the most damped remaining statistically significant for about one cycle. We probe the remnant’s Kerr nature by constraining the spectroscopic pattern of the dominant quadrupolar ( = m = 2 ) mode and its first overtone to match the Kerr prediction to tens of percent at multiple postpeak times. The measured mode amplitudes and phases agree with a numerical-relativity simulation having parameters close to GW250114. By fitting a parametrized waveform that incorporates the full inspiral-merger-ringdown sequence, we constrain the fundamental ( = m = 4 ) mode to tens of percent and bound the quadrupolar frequency to within a few percent of the GR prediction. We perform a suite of tests—spanning inspiral, merger, and ringdown—finding constraints that are comparable to, and in some cases 2–3 times more stringent than those obtained by combining dozens of events in the fourth Gravitational-Wave Transient Catalog. These results constitute the most stringent single-event verification of GR and the Kerr nature of black holes to date, and outline the power of black-hole spectroscopy for future gravitational-wave observations.  more » « less
Award ID(s):
2409740 2450793
PAR ID:
10666257
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
IOP Publishing
Date Published:
Journal Name:
Physical Review Letters
Volume:
136
Issue:
4
ISSN:
0031-9007
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract We study the ringdown signal of black holes formed in prompt-collapse binary neutron star mergers. We analyze data from 47 numerical relativity simulations. We show that the ( = 2 , m = 2 ) and ( = 2 , m = 1 ) multipoles of the gravitational wave signal are well fitted by decaying damped exponentials, as predicted by black-hole perturbation theory. We show that the ratio of the amplitude in the two modes depends on the progenitor binary mass ratioqand reduced tidal parameter Λ ~ . Unfortunately, the numerical uncertainty in our data is too large to fully quantify this dependency. If confirmed, these results will enable novel tests of general relativity in the presence of matter with next-generation gravitational-wave observatories. 
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  2. Abstract A major aim of gravitational wave astronomy is to test observationally the Kerr nature of black holes. The strongest such test, with minimal additional assumptions, is provided by observations of multiple ringdown modes, also known as black hole spectroscopy. For the gravitational wave merger event GW190521, we have previously claimed the detection of two ringdown modes emitted by the remnant black hole. In this paper we provide further evidence for the detection of multiple ringdown modes from this event. We analyse the recovery of simulated gravitational wave signals designed to replicate the ringdown properties of GW190521. We quantify how often our detection statistic reports strong evidence for a sub-dominant ( , m , n ) = ( 3 , 3 , 0 ) ringdown mode, even when no such mode is present in the simulated signal. We find this only occurs with a probability ∼0.02, which is consistent with a Bayes factor of 56 ± 1 (1σuncertainty) found for GW190521. We also quantify our agnostic analysis of GW190521, in which no relationship is assumed between ringdown modes, and find that only 1 in 250 simulated signals without a ( 3 , 3 , 0 ) mode yields a result as significant as GW190521. Conversely, we verify that when simulated signals do have an observable ( 3 , 3 , 0 ) mode they consistently yield a strong evidence and significant agnostic results. We also find that constraints on deviations from the ( 3 , 3 , 0 ) mode on GW190521-like signals with a ( 3 , 3 , 0 ) mode are consistent with what was obtained from our previous analysis of GW190521. Our results support our previous conclusion that the gravitational wave signal from GW190521 contains an observable sub-dominant ( , m , n ) = ( 3 , 3 , 0 ) mode. 
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  3. The gravitational-wave signal GW250114 was observed by the two LIGO detectors with a network matched-filter signal-to-noise ratio of 80. The signal was emitted by the coalescence of two black holes with near-equal masses m 1 = 33.6 0.8 + 1.2 M and m 2 = 32.2 1.3 + 0.8 M , and small spins χ 1 , 2 0.26 (90% credibility) and negligible eccentricity e 0.03 . Postmerger data excluding the peak region are consistent with the dominant quadrupolar ( = | m | = 2 ) mode of a Kerr black hole and its first overtone. We constrain the modes’ frequencies to ± 30 % of the Kerr spectrum, providing a test of the remnant’s Kerr nature. We also examine Hawking’s area law, also known as the second law of black hole mechanics, which states that the total area of the black hole event horizons cannot decrease with time. A range of analyses that exclude up to five of the strongest merger cycles confirm that the remnant area is larger than the sum of the initial areas to high credibility. 
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  4. null (Ed.)
    We present fully general relativistic simulations of the quasi-circular inspiral and merger of charged, non-spinning, binary black holes with charge-to-mass ratio λ≤0.3. We discuss the key features that enabled long term and stable evolutions of these binaries. We also present a formalism for computing the angular momentum carried away by electromagnetic waves, and the electromagnetic contribution to black-hole horizon properties. We implement our formalism and present the results for the first time in numerical-relativity simulations. In addition, we compare our full non-linear solutions with existing approximate models for the inspiral and ringdown phases. We show that Newtonian models based on the quadrupole approximation have errors of 20 % - 100 % in key gauge-invariant quantities. On the other hand, for the systems considered, we find that estimates of the remnant black hole spin based on the motion of test particles in Kerr-Newman spacetimes agree with our non-linear calculations to within a few percent. Finally, we discuss the prospects for detecting black hole charge by future gravitational-wave detectors using either the inspiral-merger-ringdown signal or the ringdown signal alone. 
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  5. We derive the explicit embedding of the effective Kerr spacetimes, which are pertinent to the vanishing of static Love numbers, soft hair descriptions of Kerr black holes, and low-frequency scalar-Kerr scattering amplitudes, as solutions within N = 2 supergravity. These spacetimes exhibit a hidden S L ( 2 , R ) × U ( 1 ) or S O ( 4 , 2 ) symmetry resembling the so called subtracted geometries with S L ( 2 , R ) × S L ( 2 , R ) symmetry, which accurately represent the near-horizon geometry of Kerr black holes and, as we will argue most accurately represents the internal structure of the Kerr black hole. To quantify the differences among the effective Kerr spacetimes, we compare their physical quantities, internal structures, and geodesic equations. Although their thermodynamic properties, including entropy, match those of Kerr, our study uncovers significant differences in the interiors of these effective Kerr solutions. A careful examination of the internal structure of the spacetimes highlights the distinctions between various effective Kerr geometries and their quasinormal spectra. Published by the American Physical Society2025 
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