All-sky search for gravitational wave emission from scalar boson clouds around spinning black holes in LIGO O3 data

Abbott, R. et al. (2022) All-sky search for gravitational wave emission from scalar boson clouds around spinning black holes in LIGO O3 data. Physical Review D, 105(10), 102001. (doi: 10.1103/PhysRevD.105.102001)

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Abstract

This paper describes the first all-sky search for long-duration, quasimonochromatic gravitational-wave signals emitted by ultralight scalar boson clouds around spinning black holes using data from the third observing run of Advanced LIGO. We analyze the frequency range from 20 to 610 Hz, over a small frequency derivative range around zero, and use multiple frequency resolutions to be robust towards possible signal frequency wanderings. Outliers from this search are followed up using two different methods, one more suitable for nearly monochromatic signals, and the other more robust towards frequency fluctuations. We do not find any evidence for such signals and set upper limits on the signal strain amplitude, the most stringent being ≈ 10 − 25 at around 130 Hz. We interpret these upper limits as both an “exclusion region” in the boson mass/black hole mass plane and the maximum detectable distance for a given boson mass, based on an assumption of the age of the black hole/boson cloud system.

Item Type:Articles
Keywords:Black holes, LIGO, dark matter, gravitational waves.
Status:Published
Refereed:Yes
Glasgow Author(s) Enlighten ID:Grant, Mr Alastair and Spencer, Mr Andrew and Masso Reid, Ms Mariela and Williams, Dr Daniel and Barr, Dr Bryan and Oelker, Dr Eric and Smith, Ms Leigh and Veitch, Dr John and Linley, Mr Jethro and Kinley-Hanlon, Maya Marie Antoinette and Alfaidi, Reem Atallah E and Heng, Professor Ik Siong and Dupej, Peter and Briggs, Mr Joseph and Webster, Dr Stephen and Hendry, Professor Martin and Rowan, Professor Sheila and Chapman-Bird, Christian and Tornasi, Zeno and Cunningham, Dr Liam and Gray, Ms Rachel and Steinlechner, Dr Sebastian 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 Hayes, Mr Fergus and Hammond, Professor Giles and Cummings, Ms Rebecca and Steinlechner, Dr Jessica and Wright, Mr Michael and Tait, Dr Simon and Stachurski, Mr Federico and Scott, Dr Jamie and Martin, Dr Iain and Robertson, Professor Norna and Lacaille, Mr Gregoire and Mukherjee, Dr Arunava and Gabbard, Mr Hunter and Cumming, Dr Alan and Williams, Mr Michael and Woan, Professor Graham and Graham, Ms Victoria 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 and Johnston, Ross
Authors: Abbott, R., Abe, H., Acernese, F., Ackley, K., Adhikari, N., Adhikari, R. X., Adkins, V. K., Adya, V. B., Affeldt, C., Agarwal, D., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., Akutsu, T., Albanesi, S., Alfaidi, R. A., Allocca, A., Altin, P. A., Amato, A., Anand, C., Anand, S., Ananyeva, A., Anderson, S. B., Anderson, W. G., Ando, M., Andrade, T., Andres, N., Andrés-Carcasona, M., Andrić, T., Angelova, S. V., Ansoldi, S., Antelis, J. M., Antier, S., Apostolatos, T., Appavuravther, E. Z., Appert, S., Apple, S. K., Arai, K., Araya, A., Araya, M. C., Areeda, J. S., Arène, M., Aritomi, N., Arnaud, N., Arogeti, M., Aronson, S. M., Arun, K. G., Asada, H., Asali, Y., Ashton, G., Aso, Y., Assiduo, M., Assis de Souza Melo, S., Aston, S. M., Astone, P., Aubin, F., AultONeal, K., Austin, C., Babak, S., Badaracco, F., Bader, M. K. M., Badger, C., Bae, S., Bae, Y., Baer, A. 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Subjects:Q Science > QB Astronomy
Q Science > QC Physics
College/School: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:09 May 2022
Copyright Holders:Copyright © 2022 American Physical Society
First Published:First published in Physical Review D 105(10): 102001
Publisher Policy:Reproduced in accordance with the publisher copyright policy
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312546Investigations in Gravitational RadiationSheila RowanScience and Technology Facilities Council (STFC)ST/V005634/1ENG - Electronics & Nanoscale Engineering
309290Advanced LIGO Operations SupportKenneth StrainScience and Technology Facilities Council (STFC)ST/V001019/1P&S - Physics & Astronomy