Upper limits on the isotropic gravitational-wave background from advanced LIGO and Advanced Virgo's third observing run

Abbott, R. et al. (2021) Upper limits on the isotropic gravitational-wave background from advanced LIGO and Advanced Virgo's third observing run. Physical Review D, 104(2), 022004. (doi: 10.1103/PhysRevD.104.022004)

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Abstract

We report results of a search for an isotropic gravitational-wave background (GWB) using data from Advanced LIGO’s and Advanced Virgo’s third observing run (O3) combined with upper limits from the earlier O1 and O2 runs. Unlike in previous observing runs in the advanced detector era, we include Virgo in the search for the GWB. The results of the search are consistent with uncorrelated noise, and therefore we place upper limits on the strength of the GWB. We find that the dimensionless energy density Ω GW ≤ 5.8 × 10 − 9 at the 95% credible level for a flat (frequency-independent) GWB, using a prior which is uniform in the log of the strength of the GWB, with 99% of the sensitivity coming from the band 20–76.6 Hz; Ω GW ( f ) ≤ 3.4 × 10 − 9 at 25 Hz for a power-law GWB with a spectral index of 2 / 3 (consistent with expectations for compact binary coalescences), in the band 20–90.6 Hz; and Ω GW ( f ) ≤ 3.9 × 10 − 10 at 25 Hz for a spectral index of 3, in the band 20–291.6 Hz. These upper limits improve over our previous results by a factor of 6.0 for a flat GWB, 8.8 for a spectral index of 2 / 3 , and 13.1 for a spectral index of 3. We also search for a GWB arising from scalar and vector modes, which are predicted by alternative theories of gravity; we do not find evidence of these, and place upper limits on the strength of GWBs with these polarizations. We demonstrate that there is no evidence of correlated noise of magnetic origin by performing a Bayesian analysis that allows for the presence of both a GWB and an effective magnetic background arising from geophysical Schumann resonances. We compare our upper limits to a fiducial model for the GWB from the merger of compact binaries, updating the model to use the most recent data-driven population inference from the systems detected during O3a. Finally, we combine our results with observations of individual mergers and show that, at design sensitivity, this joint approach may yield stronger constraints on the merger rate of binary black holes at z ≳ 2 than can be achieved with individually resolved mergers alone.

Item Type:Articles
Keywords:Gravitational wave detection.
Status:Published
Refereed:Yes
Glasgow Author(s) Enlighten ID:Grant, Mr Alastair and Spencer, Mr Andrew and Masso Reid, Ms Mariela and Williams, Mr Daniel and Barr, Dr Bryan and Sorazu Lucio, Dr Borja and Veitch, Dr John and Linley, Mr Jethro and Kinley-Hanlon, Maya Marie Antoinette and Heng, Professor Ik Siong and Dupej, Peter and Briggs, Mr Joseph and Hendry, Professor Martin and Rowan, Professor Sheila and Gray, Ms Rachel and Datrier, Ms Laurence and Hough, Professor James and Huttner, Dr Sabina and De Lillo, Nicola and Barton, Dr Mark and Messenger, Dr Christopher and Toland, Mr Karl and Hayes, Mr Fergus and Hammond, Professor Giles and Cummings, Ms Rebecca and Tait, Mr Simon and Scott, Dr Jamie and Martin, Dr Iain and Robertson, Professor Norna and Mukherjee, Dr Arunava and Gabbard, Mr Hunter and Cumming, Dr Alan and Williams, Mr Michael and Woan, Professor Graham and Callaghan, Mr Jack and Bayley, Mr Joseph and Strain, Professor Kenneth and Jones, Mr Russell and Eddolls, Graeme and Haughian, Dr Karen and McGhee, Graeme and Murray, Dr Peter
Authors: Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S., Acernese, F., Ackley, K., Adams, A., Adams, C., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Agarwal, D., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Akutsu, T., Aleman, K. M., Allen, G., Allocca, A., Altin, P. A., Amato, A., Anand, S., Ananyeva, A., Anderson, S. B., Anderson, W. G., Ando, M., Angelova, S. V., Ansoldi, S., Antelis, J. M., Antier, S., Appert, S., Arai, K., Arai, K., Arai, Y., Araki, S., Araya, A., Araya, M. C., Areeda, J. S., Arène, M., Aritomi, N., Arnaud, N., Aronson, S. M., Asada, H., Asali, Y., Ashton, G., Aso, Y., Aston, S. M., Astone, P., Aubin, F., Aufmuth, P., AultONeal, K., Austin, C., Babak, S., Badaracco, F., Bader, M. K. M., Bae, S., Bae, Y., Baer, A. M., Bagnasco, S., Bai, Y., Baiotti, L., Baird, J., Bajpai, R., Ball, M., Ballardin, G., Ballmer, S. W., Bals, M., Balsamo, A., Baltus, G., Banagiri, S., Bankar, D., Bankar, R. S., Barayoga, J. C., Barbieri, C., Barish, B. 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Subjects:Q Science > QB Astronomy
Q Science > QC Physics
College/School:College of Science and Engineering
College of Science and Engineering > School of Physics and Astronomy
Research Group:Institute for Gravitational Research
Journal Name:Physical Review D
Publisher:American Physical Society
ISSN:2470-0010
ISSN (Online):2470-0029
Published Online:23 July 2021
Copyright Holders:Copyright © 2021 American Physical Society
First Published:First published in Physical Review D 104(2): 022004
Publisher Policy:Reproduced in accordance with the publisher copyright policy
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310743Investigations in Gravitational Radiation: 1-year extensionSheila RowanScience and Technology Facilities Council (STFC)ST/V001736/1P&S - Physics & Astronomy
309290Advanced LIGO Operations SupportKenneth StrainScience and Technology Facilities Council (STFC)ST/V001019/1P&S - Physics & Astronomy