Broad search for gravitational waves from subsolar-mass binaries through LIGO and Virgo's third observing run

被引:28
作者
Nitz, Alexander H. [1 ]
Wang, Yi-Fan
机构
[1] Max Planck Inst Gravitat Phys, Albert Einstein Inst, D-30167 Hannover, Germany
基金
美国国家科学基金会;
关键词
NEUTRON-STAR; BLACK;
D O I
10.1103/PhysRevD.106.023024
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
We present a search for gravitational waves from the coalescence of binaries which contain at least one subsolar-mass component using data from the LIGO and Virgo observatories through the completion of their third observing run. The observation of a merger with a component below 1 M-circle dot would be a clear sign of either new physics or the existence of a primordial black hole population; these black holes could also contribute to the dark matter distribution. Our search targets binaries where the primary has mass M-1 between 0.1 and 100 M-circle dot and the secondary has mass M-2 from 0.1 to 1 M-circle dot for M-1 < 20 M-circle dot and 0.01 to 1 M-circle dot for M-1 >= 20 M-circle dot. Sources with M-1 < 7 M-circle dot, M-2 > 0.5 M-circle dot are also allowed to have orbital eccentricity up to e(10) similar to 0.3. This search region covers from comparable to extreme mass ratio sources up to 10(4):1. We find no statistically convincing candidates and so place new upper limits on the rate of mergers; our analysis sets the first limits for most subsolar sources with 7M(circle dot) < M-1 < 20 M-circle dot and tightens limits by similar to 8 x (1.6x) where M-1 > 20 M-circle dot (M-1 < 7 M-circle dot). Using these limits, we constrain the dark matter fraction to below 0.3(0.7)% for 1 (0.5) M-circle dot black holes assuming a monochromatic mass function. Due to the high merger rate of primordial black holes beyond the individual source horizon distance, we also use the lack of an observed stochastic background as a complementary probe to limit the dark matter fraction. We find that although the limits are, in general, weaker than those from the direct search, they become comparable at 0.1 M-circle dot.
引用
收藏
页数:9
相关论文
共 124 条
[1]   Advanced LIGO [J].
Aasi, J. ;
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. ;
Abernathy, M. R. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. ;
Affeldt, C. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Alemic, A. ;
Allen, B. ;
Amariutei, D. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Arceneaux, C. ;
Areeda, J. S. ;
Ashton, G. ;
Ast, S. ;
Aston, S. M. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
Aylott, B. E. ;
Babak, S. ;
Baker, P. T. ;
Ballmer, S. W. ;
Barayoga, J. C. ;
Barbet, M. ;
Barclay, S. ;
Barish, B. C. ;
Barker, D. ;
Barr, B. ;
Barsotti, L. ;
Bartlett, J. ;
Barton, M. A. ;
Bartos, I. ;
Bassiri, R. ;
Batch, J. C. ;
Baune, C. ;
Behnke, B. ;
Bell, A. S. ;
Bell, C. .
CLASSICAL AND QUANTUM GRAVITY, 2015, 32 (07)
[2]   GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙ [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
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. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 125 (10)
[3]   Properties and Astrophysical Implications of the 150 M Binary Black Hole Merger GW190521 [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
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. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2020, 900 (01)
[4]   GW190425: Observation of a Compact Binary Coalescence with Total Mass ∼3.4 M⊙ [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
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. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2020, 892 (01)
[5]   GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Afrough, M. ;
Agarwal, B. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Ast, M. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Atallah, D. V. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Bader, M. K. M. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 119 (16)
[6]   Search for Subsolar Mass Ultracompact Binaries in Advanced LIGO's Second Observing Run [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
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. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S., V ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 123 (16)
[7]   Search for Subsolar-Mass Ultracompact Binaries in Advanced LIGO's First Observing Run [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agarwal, B. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S., V ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Ast, M. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Atallah, D., V ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
AultOneal, K. ;
Austin, C. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 121 (23)
[8]  
Abbott BP, 2016, LIVING REV RELATIV, V19, DOI [10.1007/lrr-2016-1, 10.1007/s41114-018-0012-9]
[9]   GWTC-2: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo during the First Half of the Third Observing Run [J].
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. ;
Akcay, S. ;
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. ;
Arene, 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. .
PHYSICAL REVIEW X, 2021, 11 (02)
[10]   Observation of Gravitational Waves from Two Neutron Star-Black Hole Coalescences [J].
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. ;
Ajith, P. ;
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, Koya ;
Arai, Koji ;
Arai, Y. ;
Araki, S. ;
Araya, A. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Aritomi, N. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Arun, K. G. ;
Asada, H. ;
Asali, Y. ;
Ashton, G. ;
Aso, Y. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2021, 915 (01)