On September 14, 2015 at 09:50:45 UTC the two detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory simultaneously observed a transient gravitational-wave signal. The signal sweeps upwards in frequency from 35 to 250 Hz with a peak gravitational-wave strain of 1.0×10(-21). It matches the waveform predicted by general relativity for the inspiral and merger of a pair of black holes and the ringdown of the resulting single black hole. The signal was observed with a matched-filter signal-to-noise ratio of 24 and a false alarm rate estimated to be less than 1 event per 203,000 years, equivalent to a significance greater than 5.1σ. The source lies at a luminosity distance of 410(-180)(+160) Mpc corresponding to a redshift z=0.09(-0.04)(+0.03). In the source frame, the initial black hole masses are 36(-4)(+5)M⊙ and 29(-4)(+4)M⊙, and the final black hole mass is 62(-4)(+4)M⊙, with 3.0(-0.5)(+0.5)M⊙c(2) radiated in gravitational waves. All uncertainties define 90% credible intervals. These observations demonstrate the existence of binary stellar-mass black hole systems. This is the first direct detection of gravitational waves and the first observation of a binary black hole merger.

On August 17, 2017 at 12∶41:04 UTC the Advanced LIGO and Advanced Virgo gravitational-wave detectors made their first observation of a binary neutron star inspiral. The signal, GW170817, was detected with a combined signal-to-noise ratio of 32.4 and a false-alarm-rate estimate of less than one per 8.0×10^{4} years. We infer the component masses of the binary to be between 0.86 and 2.26 M_{⊙}, in agreement with masses of known neutron stars. Restricting the component spins to the range inferred in binary neutron stars, we find the component masses to be in the range 1.17-1.60 M_{⊙}, with the total mass of the system 2.74_{-0.01}^{+0.04}M_{⊙}. The source was localized within a sky region of 28 deg^{2} (90% probability) and had a luminosity distance of 40_{-14}^{+8} Mpc, the closest and most precisely localized gravitational-wave signal yet. The association with the γ-ray burst GRB 170817A, detected by Fermi-GBM 1.7 s after the coalescence, corroborates the hypothesis of a neutron star merger and provides the first direct evidence of a link between these mergers and short γ-ray bursts. Subsequent identification of transient counterparts across the electromagnetic spectrum in the same location further supports the interpretation of this event as a neutron star merger. This unprecedented joint gravitational and electromagnetic observation provides insight into astrophysics, dense matter, gravitation, and cosmology.

We report the observation of a gravitational-wave signal produced by the coalescence of two stellar-mass black holes. The signal, GW151226, was observed by the twin detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) on December 26, 2015 at 03:38:53 UTC. The signal was initially identified within 70 s by an online matched-filter search targeting binary coalescences. Subsequent off-line analyses recovered GW151226 with a network signal-to-noise ratio of 13 and a significance greater than 5 $\sigma$. The signal persisted in the LIGO frequency band for approximately 1 s, increasing in frequency and amplitude over about 55 cycles from 35 to 450 Hz, and reached a peak gravitational strain of $3.4_{-0.9}^{+0.7} \times 10^{-22}$. The inferred source-frame initial black hole masses are $14.2_{-3.7}^{+8.3} M_{\odot}$ and $7.5_{-2.3}^{+2.3} M_{\odot}$ and the final black hole mass is $20.8_{-1.7}^{+6.1} M_{\odot}$. We find that at least one of the component black holes has spin greater than 0.2. This source is located at a luminosity distance of $440_{-190}^{+180}$ Mpc corresponding to a redshift $0.09_{-0.04}^{+0.03}$. All uncertainties define a 90 % credible interval. This second gravitational-wave observation provides improved constraints on stellar populations and on deviations from general relativity.

We present the results from three gravitational-wave searches for coalescing compact binaries with component masses above 1  M⊙ during the first and second observing runs of the advanced gravitational-wave detector network. During the first observing run (O1), from September 12, 2015 to January 19, 2016, gravitational waves from three binary black hole mergers were detected. The second observing run (O2), which ran from November 30, 2016 to August 25, 2017, saw the first detection of gravitational waves from a binary neutron star inspiral, in addition to the observation of gravitational waves from a total of seven binary black hole mergers, four of which we report here for the first time: GW170729, GW170809, GW170818, and GW170823. For all significant gravitational-wave events, we provide estimates of the source properties. The detected binary black holes have total masses between 18.6−0.7+3.2  M⊙ and 84.4−11.1+15.8  M⊙ and range in distance between 320−110+120 and 2840−1360+1400  Mpc. No neutron star–black hole mergers were detected. In addition to highly significant gravitational-wave events, we also provide a list of marginal event candidates with an estimated false-alarm rate less than 1 per 30 days. From these results over the first two observing runs, which include approximately one gravitational-wave detection per 15 days of data searched, we infer merger rates at the 90% confidence intervals of 110−3840  Gpc−3 y−1 for binary neutron stars and 9.7−101  Gpc−3 y−1 for binary black holes assuming fixed population distributions and determine a neutron star–black hole merger rate 90% upper limit of 610  Gpc−3 y−1. Published by the American Physical Society 2019

On 2017 August 17, the gravitational-wave event GW170817 was observed by the Advanced LIGO and Virgo detectors, and the gamma-ray burst (GRB) GRB 170817A was observed independently by the Fermi Gamma-ray Burst Monitor, and the Anticoincidence Shield for the Spectrometer for the International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory. The probability of the near-simultaneous temporal and spatial observation of GRB 170817A and GW170817 occurring by chance is $5.0\times 10^{-8}$. We therefore confirm binary neutron star mergers as a progenitor of short GRBs. The association of GW170817 and GRB 170817A provides new insight into fundamental physics and the origin of short gamma-ray bursts. We use the observed time delay of $(+1.74 \pm 0.05)\,$s between GRB 170817A and GW170817 to: (i) constrain the difference between the speed of gravity and the speed of light to be between $-3\times 10^{-15}$ and $+7\times 10^{-16}$ times the speed of light, (ii) place new bounds on the violation of Lorentz invariance, (iii) present a new test of the equivalence principle by constraining the Shapiro delay between gravitational and electromagnetic radiation. We also use the time delay to constrain the size and bulk Lorentz factor of the region emitting the gamma rays. GRB 170817A is the closest short GRB with a known distance, but is between 2 and 6 orders of magnitude less energetic than other bursts with measured redshift. A new generation of gamma-ray detectors, and subthreshold searches in existing detectors, will be essential to detect similar short bursts at greater distances. Finally, we predict a joint detection rate for the Fermi Gamma-ray Burst Monitor and the Advanced LIGO and Virgo detectors of 0.1--1.4 per year during the 2018-2019 observing run and 0.3--1.7 per year at design sensitivity.

On August 14, 2017 at 10∶30:43 UTC, the Advanced Virgo detector and the two Advanced LIGO detectors coherently observed a transient gravitational-wave signal produced by the coalescence of two stellar mass black holes, with a false-alarm rate of ≲1 in 27 000 years. The signal was observed with a three-detector network matched-filter signal-to-noise ratio of 18. The inferred masses of the initial black holes are 30.5_{-3.0}^{+5.7}M_{⊙} and 25.3_{-4.2}^{+2.8}M_{⊙} (at the 90% credible level). The luminosity distance of the source is 540_{-210}^{+130} Mpc, corresponding to a redshift of z=0.11_{-0.04}^{+0.03}. A network of three detectors improves the sky localization of the source, reducing the area of the 90% credible region from 1160 deg^{2} using only the two LIGO detectors to 60 deg^{2} using all three detectors. For the first time, we can test the nature of gravitational-wave polarizations from the antenna response of the LIGO-Virgo network, thus enabling a new class of phenomenological tests of gravity.

On 17 August 2017, the LIGO and Virgo observatories made the first direct detection of gravitational waves from the coalescence of a neutron star binary system. The detection of this gravitational-wave signal, GW170817, offers a novel opportunity to directly probe the properties of matter at the extreme conditions found in the interior of these stars. The initial, minimal-assumption analysis of the LIGO and Virgo data placed constraints on the tidal effects of the coalescing bodies, which were then translated to constraints on neutron star radii. Here, we expand upon previous analyses by working under the hypothesis that both bodies were neutron stars that are described by the same equation of state and have spins within the range observed in Galactic binary neutron stars. Our analysis employs two methods: the use of equation-of-state-insensitive relations between various macroscopic properties of the neutron stars and the use of an efficient parametrization of the defining function p(ρ) of the equation of state itself. From the LIGO and Virgo data alone and the first method, we measure the two neutron star radii as R_{1}=10.8_{-1.7}^{+2.0} km for the heavier star and R_{2}=10.7_{-1.5}^{+2.1} km for the lighter star at the 90% credible level. If we additionally require that the equation of state supports neutron stars with masses larger than 1.97 M_{⊙} as required from electromagnetic observations and employ the equation-of-state parametrization, we further constrain R_{1}=11.9_{-1.4}^{+1.4} km and R_{2}=11.9_{-1.4}^{+1.4} km at the 90% credible level. Finally, we obtain constraints on p(ρ) at supranuclear densities, with pressure at twice nuclear saturation density measured at 3.5_{-1.7}^{+2.7}×10^{34} dyn cm^{-2} at the 90% level.

Abstract On 2017 June 8 at 02:01:16.49 UTC, a gravitational-wave (GW) signal from the merger of two stellar-mass black holes was observed by the two Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory detectors with a network signal-to-noise ratio of 13. This system is the lightest black hole binary so far observed, with component masses of  12 − 2 + 7  M ⊙ and  7 − 2 + 2  M ⊙ (90% credible intervals). These lie in the range of measured black hole masses in low-mass X-ray binaries, thus allowing us to compare black holes detected through GWs with electromagnetic observations. The source’s luminosity distance is  340 − 140 + 140  Mpc , corresponding to redshift  0.07 − 0.03 + 0.03 . We verify that the signal waveform is consistent with the predictions of general relativity.

On August 17, 2017, the Advanced LIGO and Advanced Virgo gravitational-wave detectors observed a low-mass compact binary inspiral. The initial sky localization of the source of the gravitational-wave signal, GW170817, allowed electromagnetic observatories to identify NGC 4993 as the host galaxy. In this work, we improve initial estimates of the binary’s properties, including component masses, spins, and tidal parameters, using the known source location, improved modeling, and recalibrated Virgo data. We extend the range of gravitational-wave frequencies considered down to 23 Hz, compared to 30 Hz in the initial analysis. We also compare results inferred using several signal models, which are more accurate and incorporate additional physical effects as compared to the initial analysis. We improve the localization of the gravitational-wave source to a 90% credible region of 16 deg2. We find tighter constraints on the masses, spins, and tidal parameters, and continue to find no evidence for nonzero component spins. The component masses are inferred to lie between 1.00 and 1.89 M⊙ when allowing for large component spins, and to lie between 1.16 and 1.60 M⊙ (with a total mass 2.73+0.04−0.01 M⊙) when the spins are restricted to be within the range observed in Galactic binary neutron stars. Using a precessing model and allowing for large component spins, we constrain the dimensionless spins of the components to be less than 0.50 for the primary and 0.61 for the secondary. Under minimal assumptions about the nature of the compact objects, our constraints for the tidal deformability parameter ˜Λ are (0,630) when we allow for large component spins, and 300+420−230 (using a 90% highest posterior density interval) when restricting the magnitude of the component spins, ruling out several equation-of-state models at the 90% credible level. Finally, with LIGO and GEO600 data, we use a Bayesian analysis to place upper limits on the amplitude and spectral energy density of a possible postmerger signal.8 MoreReceived 6 June 2018Revised 20 September 2018Corrected 30 April 2019DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.011001Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI.Published by the American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasGravitational wavesPhysical SystemsBinary starsNeutron stars & pulsarsPropertiesAstronomical masses & mass distributionsComposition of astronomical objectsDistances, redshifts, & velocitiesGravitation, Cosmology & Astrophysics

The discovery of the gravitational-wave source GW150914 with the Advanced LIGO detectors provides the first observational evidence for the existence of binary black-hole systems that inspiral and merge within the age of the Universe. Such black-hole mergers have been predicted in two main types of formation models, involving isolated binaries in galactic fields or dynamical interactions in young and old dense stellar environments. The measured masses robustly demonstrate that relatively "heavy" black holes ($\gtrsim 25\, M_\odot$) can form in nature. This discovery implies relatively weak massive-star winds and thus the formation of GW150914 in an environment with metallicity lower than $\sim 1/2$ of the solar value. The rate of binary black-hole mergers inferred from the observation of GW150914 is consistent with the higher end of rate predictions ($\gtrsim 1 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$) from both types of formation models. The low measured redshift ($z \sim 0.1$) of GW150914 and the low inferred metallicity of the stellar progenitor imply either binary black-hole formation in a low-mass galaxy in the local Universe and a prompt merger, or formation at high redshift with a time delay between formation and merger of several Gyr. This discovery motivates further studies of binary-black-hole formation astrophysics. It also has implications for future detections and studies by Advanced LIGO and Advanced Virgo, and gravitational-wave detectors in space.