Abstract
We report on the population of 47 compact binary mergers detected with a false-alarm rate of <1 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-+9.120.3 M? or a power law with a Gaussian feature peaking at 33.1-+5.64.0 M? (90% credible interval). While the primary mass distribution must extend to ~65 M? or beyond, only 2.9-+1.73.5% of systems have primary masses greater than 45 M?. 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, ceff. Under the assumption that such systems can only be formed by dynamical interactions, we infer that between 25% and 93% of BBHs with nonvanishing ceff| > 0.01 are dynamically assembled. Third, we estimate merger rates, finding RBBH = 23.9-+8.614.3 Gpc-3 yr-1 for BBHs and RBNS = 320-+240490 Gpc-3 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.
Original language | English |
---|---|
Article number | L7 |
Number of pages | 41 |
Journal | Astrophysical Journal Letters |
Volume | 913 |
Issue number | 1 |
DOIs | |
Publication status | Published - 19 May 2021 |
Keywords
- gravitational waves
- astrophysical black holes
- stellar mass black holes
- massive stars
- compact objects
- Bayesian statistics
Fingerprint
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In: Astrophysical Journal Letters, Vol. 913, No. 1, L7, 19.05.2021.
Research output: Contribution to journal › Article › peer-review
TY - JOUR
T1 - Population properties of compact objects from the second LIGO-Virgo gravitational-wave transient catalog
AU - LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration
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AU - McGuire, S. C.
AU - McIsaac, C.
AU - McIver, J.
AU - McManus, D. J.
AU - McRae, T.
AU - McWilliams, S. T.
AU - Meacher, D.
AU - Meadors, G. D.
AU - Mehmet, M.
AU - Mehta, A. K.
AU - Melatos, A.
AU - Melchor, D. A.
AU - Mendell, G.
AU - Menendez-Vazquez, A.
AU - Mercer, R. A.
AU - Mereni, L.
AU - Merfeld, K.
AU - Merilh, E. L.
AU - Merritt, J. D.
AU - Merzougui, M.
AU - Meshkov, S.
AU - Messenger, C.
AU - Messick, C.
AU - Metzdorff, R.
AU - Meyers, P. M.
AU - Meylahn, F.
AU - Mhaske, A.
AU - Miani, A.
AU - Miao, H.
AU - Michaloliakos, I.
AU - Michel, C
AU - Middleton, H.
AU - Milano, L.
AU - Miller, A. L.
AU - Miller, S.
AU - Millhouse, M.
AU - Mills, J. C.
AU - Milotti, E.
AU - Milovich-Goff, M. C.
AU - Minazzoli, O.
AU - Minenkov, Y.
AU - Mir, Ll. M.
AU - Mishkin, A.
AU - Mishra, C.
AU - Mistry, T.
AU - Mitra, S.
AU - Mitrofanov, V. P.
AU - Mitselmakher, G.
AU - Mittleman, R.
AU - Mo, G.
AU - Mogushi, K.
AU - Mohapatra, S. R. P.
AU - Mohite, S. R.
AU - Molina, I.
AU - Molina-Ruiz, M.
AU - Mondin, M.
AU - Montani, M.
AU - Moore, C. J.
AU - Moraru, D.
AU - Morawski, F.
AU - Moreno, G.
AU - Morisaki, S.
AU - Mours, B.
AU - Mow-Lowry, C. M.
AU - Mozzon, S.
AU - Muciaccia, F.
AU - Mukherjee, Arunava
AU - Mukherjee, D.
AU - Mukherjee, Soma
AU - Mukherjee, Subroto
AU - Mukund, N.
AU - Mullavey, A.
AU - Munch, J.
AU - Muñiz, E. A.
AU - Murray, P. G.
AU - Nadji, S. L.
AU - Nagar, A.
AU - Nardecchia, I.
AU - Naticchioni, L.
AU - Nayak, R. K.
AU - Neil, B. F.
AU - Neilson, J.
AU - Nelemans, G.
AU - Nelson, T. J. N.
AU - Nery, M.
AU - Neunzert, A.
AU - Ng, K. Y.
AU - Ng, S.
AU - Nguyen, C.
AU - Nguyen, P.
AU - Nguyen, T.
AU - Nichols, S. A.
AU - Nissanke, S.
AU - Nocera, F.
AU - Noh, M.
AU - North, C.
AU - Nothard, D.
AU - Nuttall, L. K.
AU - Oberling, J.
AU - O'Brien, B. D.
AU - O'Dell, J.
AU - Oganesyan, G.
AU - Ogin, G. H.
AU - Oh, J. J.
AU - Oh, S. H.
AU - Ohme, F.
AU - Ohta, H.
AU - Okada, M. A.
AU - Olivetto, C.
AU - Oppermann, P.
AU - Oram, R. J.
AU - O'Reilly, B.
AU - Ormiston, R. G.
AU - Ormsby, N.
AU - Ortega, L. F.
AU - O'Shaughnessy, R.
AU - Ossokine, S.
AU - Osthelder, C.
AU - Ottaway, D. J.
AU - Overmier, H.
AU - Owen, B. J.
AU - Pace, A. E.
AU - Pagano, G.
AU - Page, M. A.
AU - Pagliaroli, G.
AU - Pai, A.
AU - Pai, S. A.
AU - Palamos, J. R.
AU - Palashov, O.
AU - Palomba, C.
AU - Pan, H.
AU - Panda, P. K.
AU - Pang, T. H.
AU - Pankow, C.
AU - Pannarale, F.
AU - Pant, B. C.
AU - Paoletti, F.
AU - Paoli, A.
AU - Paolone, A.
AU - Parker, W.
AU - Pascucci, D.
AU - Pasqualetti, A.
AU - Passaquieti, R.
AU - Passuello, D.
AU - Patel, M.
AU - Patricelli, B.
AU - Payne, E.
AU - Pechsiri, T. C.
AU - Pedraza, M.
AU - Pegoraro, M.
AU - Pele, A.
AU - Penn, S.
AU - Perego, A.
AU - Perez, C. J.
AU - Périgois, C.
AU - Perreca, A.
AU - Perriès, S.
AU - Petermann, J.
AU - Petterson, D.
AU - Pfeiffer, H. P.
AU - Pham, K. A.
AU - Phukon, K. S.
AU - Piccinni, O. J.
AU - Pichot, M.
AU - Piendibene, M.
AU - Piergiovanni, F.
AU - Pierini, L.
AU - Pierro, V.
AU - Pillant, G.
AU - Pilo, F.
AU - Pinard, L.
AU - Pinto, I. M.
AU - Piotrzkowski, K.
AU - Pirello, M.
AU - Pitkin, M.
AU - Placidi, E.
AU - Plastino, W.
AU - Pluchar, C.
AU - Poggiani, R.
AU - Polini, E.
AU - Pong, D. Y. T.
AU - Ponrathnam, S.
AU - Popolizio, P.
AU - Porter, E. K.
AU - Poverman, A.
AU - Powell, J.
AU - Pracchia, M.
AU - Prajapati, A. K.
AU - Prasai, K.
AU - Prasanna, R.
AU - Pratten, G.
AU - Prestegard, T.
AU - Principe, M.
AU - Prodi, G. A.
AU - Prokhorov, L.
AU - Prosposito, P.
AU - Puecher, A.
AU - Punturo, M.
AU - Puosi, F.
AU - Puppo, P.
AU - Pürrer, M.
AU - Qi, H.
AU - Quetschke, V.
AU - Quinonez, P. J.
AU - Quitzow-James, R.
AU - Raab, F. J.
AU - Raaijmakers, G.
AU - Radkins, H.
AU - Radulesco, N.
AU - Raffai, P.
AU - Rafferty, H.
AU - Rail, S. X.
AU - Raja, S.
AU - Rajan, C.
AU - Rajbhandari, B.
AU - Rakhmanov, M.
AU - Ramirez, K. E.
AU - Ramirez, T. D.
AU - Ramos-Buades, A.
AU - Rana, J.
AU - Rao, K.
AU - Rapagnani, P.
AU - Rapol, U. D.
AU - Ratto, B.
AU - Raymond, V.
AU - Razzano, M.
AU - Read, J.
AU - Regimbau, T.
AU - Rei, L.
AU - Reid, S.
AU - Reitze, D. H.
AU - Rettegno, P.
AU - Ricci, F.
AU - Richardson, C. J.
AU - Richardson, J. W.
AU - Richardson, L.
AU - Ricker, P. M.
AU - Riemenschneider, G.
AU - Riles, K.
AU - Rizzo, M.
AU - Robertson, N. A.
AU - Robinet, F.
AU - Rocchi, A.
AU - Rocha, J. A.
AU - Rodriguez, S.
AU - Rodriguez-Soto, R. D.
AU - Rolland, L.
AU - Rollins, J. G.
AU - Roma, V. J.
AU - Romanelli, M.
AU - Romano, R.
AU - Romel, C. L.
AU - Romero, A.
AU - Romero-Shaw, I. M.
AU - Romie, J. H.
AU - Ronchini, S.
AU - Rose, C. A.
AU - Rose, D.
AU - Rose, K.
AU - Rosell, M. J. B.
AU - Rosińska, D.
AU - Rosofsky, S. G.
AU - Ross, M. P.
AU - Rowan, S.
AU - Rowlinson, S. J.
AU - Roy, Santosh
AU - Roy, Soumen
AU - Ruggi, P.
AU - Ryan, K.
AU - Sachdev, S.
AU - Sadecki, T.
AU - Sakellariadou, M.
AU - Salafia, O. S.
AU - Salconi, L.
AU - Saleem, M.
AU - Samajdar, A.
AU - Sanchez, E. J.
AU - Sanchez, J. H.
AU - Sanchez, L. E.
AU - Sanchiz-Gual, N.
AU - Sanders, J. R.
AU - Santiago, K. A.
AU - Santos, E.
AU - Saravanan, T. R.
AU - Sarin, N.
AU - Sassolas, B.
AU - Sathyaprakash, B. S.
AU - Sauter, O.
AU - Savage, R. L.
AU - Savant, V.
AU - Sawant, D.
AU - Sayah, S.
AU - Schaetzl, D.
AU - Schale, P.
AU - Scheel, M.
AU - Scheuer, J.
AU - Schindler-Tyka, A.
AU - Schmidt, P.
AU - Schnabel, R.
AU - Schofield, R. M. S.
AU - Schönbeck, A.
AU - Schreiber, E.
AU - Schulte, B. W.
AU - Schutz, B. F.
AU - Schwarm, O.
AU - Schwartz, E.
AU - Scott, J.
AU - Scott, S. M.
AU - Seglar-Arroyo, M.
AU - Seidel, E.
AU - Sellers, D.
AU - Sengupta, A. S.
AU - Sennett, N.
AU - Sentenac, D.
AU - Sequino, V.
AU - Sergeev, A.
AU - Setyawati, Y.
AU - Shaffer, T.
AU - Shahriar, M. S.
AU - Sharifi, S.
AU - Sharma, A.
AU - Sharma, P.
AU - Shawhan, P.
AU - Shen, H.
AU - Shikauchi, M.
AU - Shink, R.
AU - Shoemaker, D. H.
AU - Shoemaker, D. M.
AU - Shukla, K.
AU - ShyamSundar, S.
AU - Sieniawska, M.
AU - Sigg, D.
AU - Singer, L. P.
AU - Singh, D.
AU - Singh, N.
AU - Singha, A.
AU - Singhal, A.
AU - Sintes, A. M.
AU - Sipala, V.
AU - Skliris, V.
AU - Slagmolen, B. J. J.
AU - Slaven-Blair, T. J.
AU - Smetana, J.
AU - Smith, J. R.
AU - Smith, R. J. E.
AU - Somala, S. N.
AU - Son, E. J.
AU - Soni, S.
AU - Sorazu, B.
AU - Sordini, V.
AU - Sorrentino, F.
AU - Sorrentino, N.
AU - Soulard, R.
AU - Souradeep, T.
AU - Sowell, E.
AU - Spencer, A. P.
AU - Spera, M.
AU - Srivastava, A. K.
AU - Srivastava, V.
AU - Staats, K.
AU - Stachie, C.
AU - Steer, D. A.
AU - Steinke, M.
AU - Steinlechner, J.
AU - Steinlechner, S.
AU - Steinmeyer, D.
AU - Stevenson, S. P.
AU - Stolle-McAllister, G.
AU - Stops, D. J.
AU - Stover, M.
AU - Strain, K. A.
AU - Stratta, G.
AU - Strunk, A.
AU - Sturani, R.
AU - Stuver, A. L.
AU - Südbeck, J.
AU - Sudhagar, S.
AU - Sudhir, V.
AU - Suh, H. G.
AU - Summerscales, T. Z.
AU - Sun, H.
AU - Sun, L.
AU - Sunil, S.
AU - Sur, A.
AU - Suresh, J.
AU - Sutton, P. J.
AU - Swinkels, B. L.
AU - Szczepańczyk, M. J.
AU - Tacca, M.
AU - Tait, S. C.
AU - Talbot, C.
AU - Tanasijczuk, A. J.
AU - Tanner, D. B.
AU - Tao, D.
AU - Tapia, A.
AU - Tapia San Martin, E. N.
AU - Tasson, J. D.
AU - Taylor, R.
AU - Tenorio, R.
AU - Terkowski, L.
AU - Thirugnanasambandam, M. P.
AU - Thomas , L.
AU - Thomas, M.
AU - Thomas, P.
AU - Thompson, J. E.
AU - Thondapu, S. R.
AU - Thorne, K. A.
AU - Thrane, E.
AU - Tiwari, Shubhanshu
AU - Tiwari, Srishti
AU - Tiwari, V.
AU - Toland, K.
AU - Tolley, A. E.
AU - Tonelli, M.
AU - Tornasi, Z.
AU - Torres-Forné, A.
AU - Torrie, C. I.
AU - Tosta E Melo, I.
AU - Töyrä, D.
AU - Tran, A. T.
AU - Trapananti, A.
AU - Travasso, F.
AU - Traylor, G.
AU - Tringali, M. C.
AU - Tripathee, A.
AU - Trovato, A.
AU - Trudeau, R. J.
AU - Tsai, D. S.
AU - Tsang, K. W.
AU - Tse, M.
AU - Tso, R.
AU - Tsukada, L.
AU - Tsuna, D.
AU - Tsutsui, T.
AU - Turconi, M.
AU - Ubhi, A. S.
AU - Udall, R. P.
AU - Ueno, K.
AU - Ugolini, D.
AU - Unnikrishnan, C. S.
AU - Urban, A. L.
AU - Usman, S. A.
AU - Utina, A. C.
AU - Vahlbruch, H.
AU - Vajente, G.
AU - Vajpeyi, A.
AU - Valdes, G.
AU - Valentini, M.
AU - Valsan, V.
AU - van Bakel, N.
AU - van Beuzekom, M.
AU - van den Brand, J. F. J.
AU - Van Den Broeck, C.
AU - Vander-Hyde, D. C.
AU - van der Schaaf, L.
AU - van Heijningen, J. V.
AU - Vardaro, M.
AU - Vargas, A. F.
AU - Varma, V.
AU - Vass, S.
AU - Vasúth, M.
AU - Vecchio, A.
AU - Vedovato, G.
AU - Veitch, J.
AU - Venkateswara, K.
AU - Venneberg, J.
AU - Venugopalan, G.
AU - Verkindt, D.
AU - Verma, Y.
AU - Veske, D.
AU - Vetrano, F.
AU - Viceré, A.
AU - Viets, A. D.
AU - Villa-Ortega, V.
AU - Vinet, J.-Y.
AU - Vitale, S.
AU - Vo, T.
AU - Vocca, H.
AU - Vorvick, C.
AU - Vyatchanin, S. P.
AU - Wade, A. R.
AU - Wade, L. E.
AU - Wade, M.
AU - Walet, R. C.
AU - Walker, M.
AU - Wallace, G. S.
AU - Wallace, L.
AU - Walsh, S.
AU - Wang, J. Z.
AU - Wang, S.
AU - Wang, W. H.
AU - Wang, Y. F.
AU - Ward, R. L.
AU - Warner, J.
AU - Was, M.
AU - Washington, N. Y.
AU - Watchi, J.
AU - Weaver, B.
AU - Wei, L.
AU - Weinert, M.
AU - Weinstein, A. J.
AU - Weiss, R.
AU - Wellmann, F.
AU - Wen, L.
AU - Weßels, P.
AU - Westhouse, J. W.
AU - Wette, K.
AU - Whelan, J. T.
AU - White, D. D.
AU - White, L. V.
AU - Whiting, B. F.
AU - Whittle, C.
AU - Wilken, D. M.
AU - Williams, D.
AU - Williams, M. J.
AU - Williamson, A. R.
AU - Willis, J. L.
AU - Willke, B.
AU - Wilson, D. J.
AU - Wimmer, M. H.
AU - Winkler, W.
AU - Wipf, C. C.
AU - Woan, G.
AU - Woehler, J.
AU - Wofford, J. K.
AU - Wong, I. C. F.
AU - Wrangel, J.
AU - Wright, J. L.
AU - Wu, D. S.
AU - Wysocki, D. M.
AU - Xiao, L.
AU - Yamamoto, H.
AU - Yang, L.
AU - Yang, Y.
AU - Yang, Z.
AU - Yap, M. J.
AU - Yeeles, D. W.
AU - Yoon, A.
AU - Yu, Hang
AU - Yu, Haocun
AU - Yuen, S. H. R.
AU - Zadroźny, A.
AU - Zanolin, M.
AU - Zelenova, T.
AU - Zendri, J.-P.
AU - Zevin, M.
AU - Zhang, J.
AU - Zhang, L.
AU - Zhang, R.
AU - Zhang, T.
AU - Zhao, C.
AU - Zhao, G.
AU - Zhou, M.
AU - Zhou, Z.
AU - Zhu, X. J.
AU - Zimmerman, A. B.
AU - Zucker, M. E.
AU - Zweizig, J.
PY - 2021/5/19
Y1 - 2021/5/19
N2 - We report on the population of 47 compact binary mergers detected with a false-alarm rate of <1 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-+9.120.3 M? or a power law with a Gaussian feature peaking at 33.1-+5.64.0 M? (90% credible interval). While the primary mass distribution must extend to ~65 M? or beyond, only 2.9-+1.73.5% of systems have primary masses greater than 45 M?. 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, ceff. Under the assumption that such systems can only be formed by dynamical interactions, we infer that between 25% and 93% of BBHs with nonvanishing ceff| > 0.01 are dynamically assembled. Third, we estimate merger rates, finding RBBH = 23.9-+8.614.3 Gpc-3 yr-1 for BBHs and RBNS = 320-+240490 Gpc-3 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.
AB - We report on the population of 47 compact binary mergers detected with a false-alarm rate of <1 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-+9.120.3 M? or a power law with a Gaussian feature peaking at 33.1-+5.64.0 M? (90% credible interval). While the primary mass distribution must extend to ~65 M? or beyond, only 2.9-+1.73.5% of systems have primary masses greater than 45 M?. 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, ceff. Under the assumption that such systems can only be formed by dynamical interactions, we infer that between 25% and 93% of BBHs with nonvanishing ceff| > 0.01 are dynamically assembled. Third, we estimate merger rates, finding RBBH = 23.9-+8.614.3 Gpc-3 yr-1 for BBHs and RBNS = 320-+240490 Gpc-3 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.
KW - gravitational waves
KW - astrophysical black holes
KW - stellar mass black holes
KW - massive stars
KW - compact objects
KW - Bayesian statistics
UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85107556742&partnerID=8YFLogxK
U2 - 10.3847/2041-8213/abe949
DO - 10.3847/2041-8213/abe949
M3 - Article
AN - SCOPUS:85107556742
SN - 2041-8205
VL - 913
JO - Astrophysical Journal Letters
JF - Astrophysical Journal Letters
IS - 1
M1 - L7
ER -