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Title: GW230814: Investigation of a Loud Gravitational-wave Signal Observed with a Single Detector
Abstract GW230814, detected by the LIGO Livingston observatory with a signal-to-noise ratio of 42.4, represents the loudest gravitational-wave signal in the GWTC-4.0 catalog. Its source is consistent with a binary black hole coalescence with component masses m 1 = 33 . 7 2.2 + 2.9 M and m 2 = 28 . 2 3.1 + 2.2 M and a small effective inspiral spin χ eff = 0.0 1 0.07 + 0.06 . The high signal-to-noise ratio enabled us to detect anℓ = ∣m∣ = 4 mode in the inspiral–merger–ringdown signal for the first time (with Bayes factor ≈10), as well as enabling a range of tests of consistency between theoretical predictions and the observed waveform. While most of these tests show agreement with theoretical predictions, there are suggestions of minor deviations in the ringdown phase. Simulations that incorporate general relativity and realistic detector noise reproduce similar deviations, suggesting that they do not constitute evidence for a breakdown of general relativity. The observation of GW230814 demonstrates that the unprecedented sensitivity of the detectors enables highly significant detections with a single observatory. However, without corroborating data from a multidetector network, the ability to draw rigorous conclusions about fundamental physics remains severely limited.  more » « less
Award ID(s):
2513124 2409745 2309242 2308615 2513338 2409530
PAR ID:
10693965
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
American Astronomical Society
Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal Letters
Volume:
1004
Issue:
2
ISSN:
2041-8205
Page Range / eLocation ID:
L23
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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. 
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  2. 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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  3. Abstract We study the luminosity function (LF) and clustering properties of 888 Hαemitters (HAEs) at 3.75 < z < 6 in the GOODS-N field. The sample, built from JWST CONGRESS and FRESCO NIRCam grism surveys using a novel redshift assignment algorithm, spans ∼62 arcmin2and reachesL ∼ 1041.2erg s−1. We identify two prominent filamentary protoclusters atz ≈ 4.41 andz ≈ 5.19, hosting 98 and 144 HAEs, respectively. The observed HαLFs show similar shallow faint-end slopes for both protocluster and field galaxies at 3.75 < z < 5, and for the protocluster at 5 < z < 6 (α ≈ −1.2 to −1.3). In contrast, the field LF at 5 < z < 6 has a much steeper slope ( α = 1.8 7 0.23 + 0.30 ), suggesting that protocluster galaxies atz > 5 are more evolved, resembling the populations at 3.75 < z < 5. The observed star formation rate density from Hαintegrated down to 0.45Myr−1, is 0.05 0 0.003 + 0.002 M yr 1 Mpc 3 at 3.75 < z < 5 and 0.04 6 0.004 + 0.006 M yr 1 Mpc 3 at 5 < z < 6, with protoclusters contributing about 25% and 55%, respectively. This implies a large fraction of star formation atz> 4 occurs in protoclusters. For the first time, we conduct the star formation-rate-limited three-dimensional clustering analysis atz > 4. We find that the filamentary geometry of protoclusters flattens the power-law shape of the HAE autocorrelation functions, with slopes much shallower than the typically assumed value. The autocorrelation function of field HAEs has a correlation length of r 0 = 4.6 1 0.68 + 1.00 h 1 Mpc atz ≈ 4−5 and r 0 = 6.2 3 1.13 + 1.68 h 1 Mpc atz ≈ 5−6. Comparing the observed correlation functions with the UniverseMachinesimulation, we infer the dark matter (sub-)halo masses of HAEs to be log ( M h / M ) = 11.0 11.2 atz ≈ 4−6, with a scatter of 0.4 dex. 
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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 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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