Search for subsolar-mass binaries in the first half of Advanced LIGO’s and Advanced Virgo’s third observing run

Abbott, R. et al. (2022) Search for subsolar-mass binaries in the first half of Advanced LIGO’s and Advanced Virgo’s third observing run. Physical Review Letters, 129(6), 061104. (doi: 10.1103/PhysRevLett.129.061104)

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Abstract

We report on a search for compact binary coalescences where at least one binary component has a mass between 0.2 M_\odot and 1.0 M_\odot in Advanced LIGO and Advanced Virgo data collected between 1 April 2019 1500 UTC and 1 October 2019 1500 UTC. We extend previous analyses in two main ways: we include data from the Virgo detector and we allow for more unequal mass systems, with mass ratio q \geq 0.1. We do not report any gravitational-wave candidates. The most significant trigger has a false alarm rate of 0.14 \mathrm{yr}^-1. This implies an upper limit on the merger rate of subsolar binaries in the range [220–24200] \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}, depending on the chirp mass of the binary. We use this upper limit to derive astrophysical constraints on two phenomenological models that could produce subsolar-mass compact objects. One is an isotropic distribution of equal-mass primordial black holes. Using this model, we find that the fraction of dark matter in primordial black holes is f_\mathrm{PBH}\equiv \Omega_\mathrm{PBH}/\Omega_\mathrm{DM}\lesssim 6\%. The other is a dissipative dark matter model, in which fermionic dark matter can collapse and form black holes. The upper limit on the fraction of dark matter black holes depends on the minimum mass of the black holes that can be formed: the most constraining result is obtained at M_\mathrm{min}=1 M_\odot, where f_\mathrm{DBH}\equiv \Omega_\mathrm{PBH}/\Omega_\mathrm{DM}\lesssim 0.003\%. These are the tightest limits on spinning subsolar-mass binaries to date.

Item Type:Articles
Keywords:Dark matter, gravitational waves.
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 Cummings, Ms Rebecca and Oelker, Dr Eric 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 Webster, Dr Stephen and Hendry, Professor Martin and Scott, Dr Jamie and Rowan, Professor Sheila and Martin, Dr Iain and Garcia Nunez, Dr Carlos and Robertson, Professor Norna and Mukherjee, Dr Arunava and Gabbard, Mr Hunter and Cumming, Dr Alan and Berry, Dr Christopher and Cunningham, Dr Liam and Gray, Dr Rachel and Woan, Professor Graham and Steinlechner, Dr Sebastian 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 McGhee, Graeme and Murray, Dr Peter and Barton, Dr Mark
Authors: Abbott, R., Abbott, T. D., Acernese, F., Ackley, K., Adams, C., Adhikari, N., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Agarwal, D., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., Albanesi, S., Allocca, A., Altin, P. A., Amato, A., Anand, C., Anand, S., Ananyeva, A., Anderson, S. B., Anderson, W. G., Andrade, T., Andres, N., Andrić, T., 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., Ashton, G., Assiduo, M., Aston, S. M., Astone, P., Aubin, F., Austin, C., Babak, S., Badaracco, F., Bader, M. K. M., Badger, C., Bae, S., Baer, A. M., Bagnasco, S., Bai, Y., Baird, J., Ball, M., Ballardin, G., Ballmer, S. W., Balsamo, A., Baltus, G., Banagiri, S., Bankar, D., Barayoga, J. C., Barbieri, C., Barish, B. C., Barker, D., Barneo, P., Barone, F., Barr, B., Barsotti, L., Barsuglia, M., Barta, D., Bartlett, J., Barton, M. 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J., Yeeles, D. W., Yelikar, A. B., Ying, M., Yoo, J., Yu, H., Yu, H., Zadrożny, A., Zanolin, M., Zelenova, T., Zendri, J.-P., Zevin, M., Zhang, J., Zhang, L., Zhang, T., Zhang, Y., Zhao, C., Zhao, G., Zhao, Y., Zhou, R., Zhou, Z., Zhu, X. J., Zimmerman, A. B., Zucker, M. E., Zweizig, J., Jeong, D., and Shandera, S.
Subjects:Q Science > QB Astronomy
Q Science > QC Physics
College/School:College of Science and Engineering > School of Physics and Astronomy
College of Science and Engineering > School of Engineering > Electronics and Nanoscale Engineering
Research Centre:College of Science and Engineering > School of Physics and Astronomy > Institute for Gravitational Research
Research Group:Institute for Gravitational Research
Journal Name:Physical Review Letters
Publisher:American Physical Society
ISSN:0031-9007
ISSN (Online):1079-7114
Copyright Holders:Copyright © 2022 American Physical Society
First Published:First published in Physical Review Letters 129(6): 061104
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