Population Properties of Compact Objects from the Second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog
R. Abbott, T. D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, K. Ackley, A. Adams, C. Adams, R. X. Adhikari, V. B. Adya, C. Affeldt, M. Agathos, K. Agatsuma, N. Aggarwal, O. D. Aguiar, L. Aiello, A. Ain, P. Ajith, B. Allen, A. Allocca, P. A. Altin, A. Amato, Shreya Anand, A. Ananyeva, S. B. Anderson, W. G. Anderson, S. V. Angelova, S. Ansoldi, Javier M. Antelis, S. Antier, S. Appert, K. Arai, M. C. Araya, J. S. Areeda, M. Arène, N. Arnaud, S. M. Aronson, K. G. Arun, Y. Asali, S. Ascenzi, G. Ashton, S. M. Aston, P. Astone, François Aubin, P. Aufmuth, K. AultONeal, C. Austin, V. Avendano, S. Babak, F. Badaracco, M. K. M. Bader, S. Bae, A. M. Baer, S. Bagnasco, J. Baird, M. Ball, G. Ballardin, S. W. Ballmer, A. Bals, A. Balsamo, G. Baltus, S. Banagiri, D. Bankar, R. S. Bankar, J. C. Barayoga, C. Barbieri, B. C. Barish, D. Barker, P. Barneo, S. Barnum, F. Barone, B. Barr, L. Barsotti, M. Barsuglia, D. Barta, J. Bartlett, I. Bartos, R. Bassiri, A. Basti, M. Bawaj, J. C. Bayley, M. Bazzan, B. R. Becher, B. Bécsy, V. M. Bedakihale, M. Bejger, I. Belahcene, D. Beniwal, M. G. Benjamin, T. F. Bennett, J. D. Bentley, F. Bergamin, B. K. Berger, G. Bergmann, Sebastiano Bernuzzi, C. P. L. Berry, D. Bersanetti, A. Bertolini, J. Betzwieser, R. Bhandare, A. V. Bhandari
Abstract
Abstract We report on the population of 47 compact binary mergers detected with a false-alarm rate of < <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>yr</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> 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 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>39.7</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>9.1</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>20.3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> or a power law with a Gaussian feature peaking at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>33.1</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>5.6</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>4.0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> (90% credible interval). While the primary mass distribution must extend to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>65</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> or beyond, only <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>2.9</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1.7</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>3.5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:math> of systems have primary masses greater than <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>45</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> . 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, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>12</mml:mn> </mml:math> %– <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>44</mml:mn> </mml:math> % of BBH systems have spins tilted by more than 90°, giving rise to a negative effective inspiral spin parameter, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>χ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>eff</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> . Under the assumption that such systems can only be formed by dynamical interactions, we infer that between 25% and 93% of BBHs with nonvanishing <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>χ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>eff</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> <mml:mo>></mml:mo> <mml:mn>0.01</mml:mn> </mml:math> are dynamically assembled. Third, we estimate merger rates, finding <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi class="MJX-tex-calligraphic" mathvariant="script">R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BBH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>23.9</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>8.6</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>14.3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>Gpc</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mro