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.

The Advanced LIGO gravitational wave detectors are second generation instruments designed and built for the two LIGO observatories in Hanford, WA and Livingston, LA. The two instruments are identical in design, and are specialized versions of a Michelson interferometer with 4 km long arms. As in initial LIGO, Fabry-Perot cavities are used in the arms to increase the interaction time with a gravitational wave, and power recycling is used to increase the effective laser power. Signal recycling has been added in Advanced LIGO to improve the frequency response. In the most sensitive frequency region around 100 Hz, the design strain sensitivity is a factor of 10 better than initial LIGO. In addition, the low frequency end of the sensitivity band is moved from 40 Hz down to 10 Hz. All interferometer components have been replaced with improved technologies to achieve this sensitivity gain. Much better seismic isolation and test mass suspensions are responsible for the gains at lower frequencies. Higher laser power, larger test masses and improved mirror coatings lead to the improved sensitivity at mid- and high- frequencies. Data collecting runs with these new instruments are planned to begin in mid-2015.

The LIGO detection of GW150914 provides an unprecedented opportunity to study the two-body motion of a compact-object binary in the large-velocity, highly nonlinear regime, and to witness the final merger of the binary and the excitation of uniquely relativistic modes of the gravitational field. We carry out several investigations to determine whether GW150914 is consistent with a binary black-hole merger in general relativity. We find that the final remnant's mass and spin, as determined from the low-frequency (inspiral) and high-frequency (postinspiral) phases of the signal, are mutually consistent with the binary black-hole solution in general relativity. Furthermore, the data following the peak of GW150914 are consistent with the least-damped quasinormal mode inferred from the mass and spin of the remnant black hole. By using waveform models that allow for parametrized general-relativity violations during the inspiral and merger phases, we perform quantitative tests on the gravitational-wave phase in the dynamical regime and we determine the first empirical bounds on several high-order post-Newtonian coefficients. We constrain the graviton Compton wavelength, assuming that gravitons are dispersed in vacuum in the same way as particles with mass, obtaining a 90%-confidence lower bound of 10^{13} km. In conclusion, within our statistical uncertainties, we find no evidence for violations of general relativity in the genuinely strong-field regime of gravity.

In 2009-2010, the Laser Interferometer Gravitational-wave Observa- tory (LIGO) operated together with international partners Virgo and GEO600 as a network to search for gravitational waves of astrophysical origin. The sensitiv- ity of these detectors was limited by a combination of noise sources inherent to the instrumental design and its environment, often localized in time or frequency, that couple into the gravitational-wave readout. Here we review the performance of the LIGO instruments during this epoch, the work done to characterize the de- tectors and their data, and the effect that transient and continuous noise artefacts have on the sensitivity of LIGO to a variety of astrophysical sources.

Nearly a century after Einstein first predicted the existence of gravitational waves, a global network of Earth-based gravitational wave observatories1,2,3,4 is seeking to directly detect this faint radiation using precision laser interferometry. Photon shot noise, due to the quantum nature of light, imposes a fundamental limit on the attometre-level sensitivity of the kilometre-scale Michelson interferometers deployed for this task. Here, we inject squeezed states to improve the performance of one of the detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) beyond the quantum noise limit, most notably in the frequency region down to 150 Hz, critically important for several astrophysical sources, with no deterioration of performance observed at any frequency. With the injection of squeezed states, this LIGO detector demonstrated the best broadband sensitivity to gravitational waves ever achieved, with important implications for observing the gravitational-wave Universe with unprecedented sensitivity. Squeezed states of light have been experimentally demonstrated to improve the performance of the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in astrophysically relevant frequency regions. This enhanced performance may help to reach the sensitivity required for detecting gravitational waves.

On September 14, 2015, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detected a gravitational-wave transient (GW150914); we characterize the properties of the source and its parameters. The data around the time of the event were analyzed coherently across the LIGO network using a suite of accurate waveform models that describe gravitational waves from a compact binary system in general relativity. GW150914 was produced by a nearly equal mass binary black hole of masses 36_{-4}^{+5}M_{⊙} and 29_{-4}^{+4}M_{⊙}; for each parameter we report the median value and the range of the 90% credible interval. The dimensionless spin magnitude of the more massive black hole is bound to be <0.7 (at 90% probability). The luminosity distance to the source is 410_{-180}^{+160} Mpc, corresponding to a redshift 0.09_{-0.04}^{+0.03} assuming standard cosmology. The source location is constrained to an annulus section of 610 deg^{2}, primarily in the southern hemisphere. The binary merges into a black hole of mass 62_{-4}^{+4}M_{⊙} and spin 0.67_{-0.07}^{+0.05}. This black hole is significantly more massive than any other inferred from electromagnetic observations in the stellar-mass regime.

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.

Following a major upgrade, the two advanced detectors of the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) held their first observation run between September 2015 and January 2016. With a strain sensitivity of 10^{-23}/sqrt[Hz] at 100 Hz, the product of observable volume and measurement time exceeded that of all previous runs within the first 16 days of coincident observation. On September 14, 2015, the Advanced LIGO detectors observed a transient gravitational-wave signal determined to be the coalescence of two black holes [B. P. Abbott et al., Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)], launching the era of gravitational-wave astronomy. The event, GW150914, was observed with a combined signal-to-noise ratio of 24 in coincidence by the two detectors. Here, we present the main features of the detectors that enabled this observation. At full sensitivity, the Advanced LIGO detectors are designed to deliver another factor of 3 improvement in the signal-to-noise ratio for binary black hole systems similar in mass to GW150914.

On September 14, 2015 at 09:50:45 UTC the two detectors of the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) simultaneously observed the binary black hole merger GW150914. We report the results of a matched-filter search using relativistic models of compact-object binaries that recovered GW150914 as the most significant event during the coincident observations between the two LIGO detectors from September 12 to October 20, 2015. GW150914 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 5.1 {\sigma}.

The LIGO detection of the gravitational wave transient GW150914, from the inspiral and merger of two black holes with masses $\gtrsim 30\, \text{M}_\odot$, suggests a population of binary black holes with relatively high mass. This observation implies that the stochastic gravitational-wave background from binary black holes, created from the incoherent superposition of all the merging binaries in the Universe, could be higher than previously expected. Using the properties of GW150914, we estimate the energy density of such a background from binary black holes. In the most sensitive part of the Advanced LIGO/Virgo band for stochastic backgrounds (near 25 Hz), we predict $\Omega_\text{GW}(f=25 Hz) = 1.1_{-0.9}^{+2.7} \times 10^{-9}$ with 90\% confidence. This prediction is robustly demonstrated for a variety of formation scenarios with different parameters. The differences between models are small compared to the statistical uncertainty arising from the currently poorly constrained local coalescence rate. We conclude that this background is potentially measurable by the Advanced LIGO/Virgo detectors operating at their projected final sensitivity.