The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) has been directly detecting gravitational waves from compact binary mergers since 2015. We report on the first use of squeezed vacuum states in the direct measurement of gravitational waves with the Advanced LIGO H1 and L1 detectors. This achievement is the culmination of decades of research to implement squeezed states in gravitational-wave detectors. During the ongoing O3 observation run, squeezed states are improving the sensitivity of the LIGO interferometers to signals above 50 Hz by up to 3 dB, thereby increasing the expected detection rate by 40% (H1) and 50% (L1).

On April 1st, 2019, the Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO), joined by the Advanced Virgo detector, began the third observing run, a year-long dedicated search for gravitational radiation. The LIGO detectors have achieved a higher duty cycle and greater sensitivity to gravitational waves than ever before, with LIGO Hanford achieving angle-averaged sensitivity to binary neutron star coalescences to a distance of 111 Mpc, and LIGO Livingston to 134 Mpc with duty factors of 74.6% and 77.0% respectively. The improvement in sensitivity and stability is a result of several upgrades to the detectors, including doubled intracavity power, the addition of an in-vacuum optical parametric oscillator for squeezed-light injection, replacement of core optics and end reaction masses, and installation of acoustic mode dampers. This paper explores the purposes behind these upgrades, and explains to the best of our knowledge the noise currently limiting the sensitivity of each detector.

Abstract We perform a statistical standard siren analysis of GW170817. Our analysis does not utilize knowledge of NGC 4993 as the unique host galaxy of the optical counterpart to GW170817. Instead, we consider each galaxy within the GW170817 localization region as a potential host; combining the redshifts from all of the galaxies with the distance estimate from GW170817 provides an estimate of the Hubble constant, H 0 . Considering all galaxies brighter than  as equally likely to host a binary neutron star merger, we find  km s −1 Mpc −1 (maximum a posteriori and 68.3% highest density posterior interval; assuming a flat H 0 prior in the range  km s −1 Mpc −1 ). We explore the dependence of our results on the thresholds by which galaxies are included in our sample, and we show that weighting the host galaxies by stellar mass or star formation rate provides entirely consistent results with potentially tighter constraints. By applying the method to simulated gravitational-wave events and a realistic galaxy catalog we show that, because of the small localization volume, this statistical standard siren analysis of GW170817 provides an unusually informative (top 10%) constraint. Under optimistic assumptions for galaxy completeness and redshift uncertainty, we find that dark binary neutron star measurements of H 0 will converge as  , where N is the number of sources. While these statistical estimates are inferior to the value from the counterpart standard siren measurement utilizing NGC 4993 as the unique host,  km s −1 Mpc −1 (determined from the same publicly available data), our analysis is a proof-of-principle demonstration of the statistical approach first proposed by Bernard Schutz over 30 yr ago.

Measurement of minuscule forces and displacements with ever greater precision encounters a limit imposed by a pillar of quantum mechanics: the Heisenberg uncertainty principle. A limit to the precision with which the position of an object can be measured continuously is known as the standard quantum limit (SQL). When light is used as the probe, the SQL arises from the balance between the uncertainties of photon radiation pressure imposed on the object and of the photon number in the photoelectric detection. The only possibility surpassing the SQL is via correlations within the position/momentum uncertainty of the object and the photon number/phase uncertainty of the light it reflects. Here, we experimentally prove the theoretical prediction that this type of quantum correlation is naturally produced in the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). Our measurements show that the quantum mechanical uncertainties in the phases of the 200 kW laser beams and in the positions of the 40 kg mirrors of the Advanced LIGO detectors yield a joint quantum uncertainty a factor of 1.4 (3dB) below the SQL. We anticipate that quantum correlations will not only improve gravitational wave (GW) observatories but all types of measurements in future.

Abstract Gravitational lensing by massive objects along the line of sight to the source causes distortions to gravitational wave (GW) signals; such distortions may reveal information about fundamental physics, cosmology, and astrophysics. In this work, we have extended the search for lensing signatures to all binary black hole events from the third observing run of the LIGO-Virgo network. We search for repeated signals from strong lensing by (1) performing targeted searches for subthreshold signals, (2) calculating the degree of overlap among the intrinsic parameters and sky location of pairs of signals, (3) comparing the similarities of the spectrograms among pairs of signals, and (4) performing dual-signal Bayesian analysis that takes into account selection effects and astrophysical knowledge. We also search for distortions to the gravitational waveform caused by (1) frequency-independent phase shifts in strongly lensed images, and (2) frequency-dependent modulation of the amplitude and phase due to point masses. None of these searches yields significant evidence for lensing. Finally, we use the nondetection of GW lensing to constrain the lensing rate based on the latest merger-rate estimates and the fraction of dark matter composed of compact objects.

The Heisenberg uncertainty principle dictates that the position and momentum of an object cannot be simultaneously measured with arbitrary precision, giving rise to an apparent limitation known as the standard quantum limit (SQL). Gravitational-wave detectors use photons to continuously measure the positions of freely falling mirrors and so are affected by the SQL. We investigated the performance of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) after the experimental realization of frequency-dependent squeezing designed to surpass the SQL. For the LIGO Livingston detector, we found that the upgrade reduces quantum noise below the SQL by a maximum of three decibels between 35 and 75 hertz while achieving a broadband sensitivity improvement, increasing the overall detector sensitivity during astrophysical observations.