An analysis of gravitational waves from 76 compact binary mergers provides new constraints on the population properties of neutron stars and black holes, as well as on their formation and evolution pathways.

Among the various candidates for dark matter (DM), ultralight vector DM can be probed by laser interferometric gravitational wave detectors through the measurement of oscillating length changes in the arm cavities. In this context, KAGRA has a unique feature due to differing compositions of its mirrors, enhancing the signal of vector DM in the length change in the auxiliary channels. Here we present the result of a search for U(1)B−L gauge boson DM using the KAGRA data from auxiliary length channels during the first joint observation run together with GEO600. By applying our search pipeline, which takes into account the stochastic nature of ultralight DM, upper bounds on the coupling strength between the U(1)B−L gauge boson and ordinary matter are obtained for a range of DM masses. While our constraints are less stringent than those derived from previous experiments, this study demonstrates the applicability of our method to the lower-mass vector DM search, which is made difficult in this measurement by the short observation time compared to the auto-correlation timescale of DM.Received 12 March 2024Accepted 8 July 2024DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.042001© 2024 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasDark matterParticle dark matterTechniquesGravitational wave detectorsGravitation, Cosmology & Astrophysics

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.

Abstract We report the observation of a coalescing compact binary with component masses 2.5–4.5 M ⊙ and 1.2–2.0 M ⊙ (all measurements quoted at the 90% credible level). The gravitational-wave signal GW230529_181500 was observed during the fourth observing run of the LIGO–Virgo–KAGRA detector network on 2023 May 29 by the LIGO Livingston observatory. The primary component of the source has a mass less than 5 M ⊙ at 99% credibility. We cannot definitively determine from gravitational-wave data alone whether either component of the source is a neutron star or a black hole. However, given existing estimates of the maximum neutron star mass, we find the most probable interpretation of the source to be the coalescence of a neutron star with a black hole that has a mass between the most massive neutron stars and the least massive black holes observed in the Galaxy. We provisionally estimate a merger rate density of 55 − 47 + 127   Gpc − 3    yr − 1  for compact binary coalescences with properties similar to the source of GW230529_181500; assuming that the source is a neutron star–black hole merger, GW230529_181500-like sources may make up the majority of neutron star–black hole coalescences. The discovery of this system implies an increase in the expected rate of neutron star–black hole mergers with electromagnetic counterparts and provides further evidence for compact objects existing within the purported lower mass gap.

Abstract On the 29th of May 2023, the LIGO–Virgo–KAGRA Collaboration observed a compact binary coalescence event consistent with a neutron star – black hole merger, though the heavier object of mass 2.5 − 4.5 M⊙ would fall into the purported lower mass gap. An alternative explanation for apparent observations of events in this mass range has been suggested as strongly gravitationally lensed binary neutron stars. In this scenario, magnification would lead to the source appearing closer and heavier than it really is. Here, we investigate the chances and possible consequences for the GW230529 event to be gravitationally lensed. We find this would require high magnifications and we obtain low rates for observing such an event, with a relative fraction of lensed versus unlensed observed events of 2 × 10−3 at most. When comparing the lensed and unlensed hypotheses accounting for the latest rates and population model, we find a 1/58 chance of lensing, disfavoring this option. Moreover, when the magnification is assumed to be strong enough to bring the mass of the heavier binary component below the standard upper limits on neutron star masses, we find high probability for the lighter object to have a sub-solar mass, making the binary even more exotic than a mass-gap neutron star–black hole system. Even when the secondary is not sub-solar, its tidal deformability would likely be measurable, which is not the case for GW230529. Finally, we do not find evidence for extra lensing signatures such as the arrival of additional lensed images, type-II image dephasing, or microlensing. Therefore, we conclude it is unlikely for GW230529 to be a strongly gravitationally lensed binary neutron star signal.