Abbott, R. et al. (2021) Population properties of compact objects from the second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog. Astrophysical Journal Letters, 913(1), L7. (doi: 10.3847/2041-8213/abe949)
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Text
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Abstract
We report on the population of 47 compact binary mergers detected with a false-alarm rate of <$1\,{\mathrm{yr}}^{-1}$ in the second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog. We observe several characteristics of the merging binary black hole (BBH) population not discernible until now. First, the primary mass spectrum contains structure beyond a power law with a sharp high-mass cutoff; it is more consistent with a broken power law with a break at ${39.7}_{-9.1}^{+20.3}\,\,{M}_{\odot }$ or a power law with a Gaussian feature peaking at ${33.1}_{-5.6}^{+4.0}\,\,{M}_{\odot }$ (90% credible interval). While the primary mass distribution must extend to $\sim 65\,{M}_{\odot }$ or beyond, only ${2.9}_{-1.7}^{+3.5} \% $ of systems have primary masses greater than $45\,{M}_{\odot }$. Second, we find that a fraction of BBH systems have component spins misaligned with the orbital angular momentum, giving rise to precession of the orbital plane. Moreover, $12$%–$44$% of BBH systems have spins tilted by more than 90°, giving rise to a negative effective inspiral spin parameter, ${\chi }_{\mathrm{eff}}$. Under the assumption that such systems can only be formed by dynamical interactions, we infer that between 25% and 93% of BBHs with nonvanishing $| {\chi }_{\mathrm{eff}}| \gt 0.01$ are dynamically assembled. Third, we estimate merger rates, finding ${{ \mathcal R }}_{\mathrm{BBH}}={23.9}_{-8.6}^{+14.3}\,\,{\mathrm{Gpc}}^{-3}\,{\mathrm{yr}}^{-1}$ for BBHs and ${{ \mathcal R }}_{\mathrm{BNS}}={320}_{-240}^{+490}\,\,{\mathrm{Gpc}}^{-3}\,{\mathrm{yr}}^{-1}$ for binary neutron stars. We find that the BBH rate likely increases with redshift ($85 \% $ credibility) but not faster than the star formation rate ($86 \% $ credibility). Additionally, we examine recent exceptional events in the context of our population models, finding that the asymmetric masses of GW190412 and the high component masses of GW190521 are consistent with our models, but the low secondary mass of GW190814 makes it an outlier.
| Item Type: | Articles |
|---|---|
| Keywords: | Gravitational waves, astrophysical black holes, stellar mass black holes, massive stars, compact objects, Bayesian statistics. |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes |
| Glasgow Author(s) Enlighten ID: | Grant, Mr Alastair and Spencer, Dr Andrew and Messenger, Dr Christopher and Masso Reid, Ms Mariela and Williams, Dr Daniel and Toland, Dr Karl and Hayes, Dr Fergus and Hammond, Professor Giles and Barr, Dr Bryan and Sorazu Lucio, Dr Borja and Cummings, Ms Rebecca and Gabbard, Hunter Arthur and Steinlechner, Dr Jessica and Veitch, Dr John and Linley, Mr Jethro and Kinley-Hanlon, Maya Marie Antoinette and Heng, Professor Ik Siong and Dupej, Peter and Tait, Dr Simon and Briggs, Mr Joseph and Hendry, Professor Martin and Scott, Dr Jamie and Rowan, Professor Sheila and Martin, Dr Iain and Robertson, Professor Norna and Tornasi, Zeno and Mukherjee, Dr Arunava and Cumming, Dr Alan and Berry, Dr Christopher and Cunningham, Dr Liam and Gray, Dr Rachel and Woan, Professor Graham and WRIGHT, Jennifer and Datrier, Ms Laurence and Hough, Professor James and Huttner, Dr Sabina and Callaghan, Mr Jack and Bayley, Mr Joseph and Strain, Professor Kenneth and Jones, Mr Russell and Eddolls, Graeme and Williams, Michael and Haughian, Dr Karen and De Lillo, Nicola 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., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., Allen, G., Allocca, A., Altin, P. A., Amato, A., Anand, S., Ananyeva, A., Anderson, S. B., Anderson, W. G., Angelova, S. V., Ansoldi, S., Antelis, J. M., Antier, S., Appert, S., Arai, K., Araya, M. C., Areeda, J. S., Arène, M., Arnaud, N., Aronson, S. M., Arun, K. G., Asali, Y., Ascenzi, S., Ashton, G., Aston, S. M., Astone, P., Aubin, F., Aufmuth, P., AultONeal, K., Austin, C., Avendano, V., Babak, S., Badaracco, F., Bader, M. K. M., Bae, S., Baer, A. M., Bagnasco, S., Baird, J., Ball, M., Ballardin, G., Ballmer, S. W., Bals, A., 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 Centre: | College of Science and Engineering > School of Physics and Astronomy > Institute for Gravitational Research |
| Research Group: | Institute for Gravitational Research |
| Journal Name: | Astrophysical Journal Letters |
| Publisher: | IOP Publishing |
| ISSN: | 2041-8205 |
| ISSN (Online): | 2041-8213 |
| Copyright Holders: | Copyright © 2021 The Authors |
| First Published: | First published in Astrophysical Journal Letters 913(1):L7 |
| Publisher Policy: | Reproduced under a Creative Commons licence |
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