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 describe the observation of GW170104, a gravitational-wave signal produced by the coalescence of a pair of stellar-mass black holes. The signal was measured on January 4, 2017 at 10∶11:58.6 UTC by the twin advanced detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory during their second observing run, with a network signal-to-noise ratio of 13 and a false alarm rate less than 1 in 70 000 years. The inferred component black hole masses are 31.2_{-6.0}^{+8.4}M_{⊙} and 19.4_{-5.9}^{+5.3}M_{⊙} (at the 90% credible level). The black hole spins are best constrained through measurement of the effective inspiral spin parameter, a mass-weighted combination of the spin components perpendicular to the orbital plane, χ_{eff}=-0.12_{-0.30}^{+0.21}. This result implies that spin configurations with both component spins positively aligned with the orbital angular momentum are disfavored. The source luminosity distance is 880_{-390}^{+450} Mpc corresponding to a redshift of z=0.18_{-0.07}^{+0.08}. We constrain the magnitude of modifications to the gravitational-wave dispersion relation and perform null tests of general relativity. Assuming that gravitons are dispersed in vacuum like massive particles, we bound the graviton mass to m_{g}≤7.7×10^{-23} eV/c^{2}. In all cases, we find that GW170104 is consistent with general relativity.

Gravitational waves enable tests of general relativity in the highly dynamical and strong-field regime. Using events detected by LIGO-Virgo up to 1 October 2019, we evaluate the consistency of the data with predictions from the theory. We first establish that residuals from the best-fit waveform are consistent with detector noise, and that the low- and high-frequency parts of the signals are in agreement. We then consider parametrized modifications to the waveform by varying post-Newtonian and phenomenological coefficients, improving past constraints by factors of $\ensuremath{\sim}2$; we also find consistency with Kerr black holes when we specifically target signatures of the spin-induced quadrupole moment. Looking for gravitational-wave dispersion, we tighten constraints on Lorentz-violating coefficients by a factor of $\ensuremath{\sim}2.6$ and bound the mass of the graviton to ${m}_{g}\ensuremath{\le}1.76\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}23}\text{ }\text{ }\mathrm{eV}/{c}^{2}$ with 90% credibility. We also analyze the properties of the merger remnants by measuring ringdown frequencies and damping times, constraining fractional deviations away from the Kerr frequency to $\ensuremath{\delta}{\stackrel{^}{f}}_{220}=0.0{3}_{\ensuremath{-}0.35}^{+0.38}$ for the fundamental quadrupolar mode, and $\ensuremath{\delta}{\stackrel{^}{f}}_{221}=0.0{4}_{\ensuremath{-}0.32}^{+0.27}$ for the first overtone; additionally, we find no evidence for postmerger echoes. Finally, we determine that our data are consistent with tensorial polarizations through a template-independent method. When possible, we assess the validity of general relativity based on collections of events analyzed jointly. We find no evidence for new physics beyond general relativity, for black hole mimickers, or for any unaccounted systematics.

The gravitational-wave signal GW190521 is consistent with a binary black hole merger source at redshift 0.8 with unusually high component masses, $85^{+21}_{-14}\,M_{\odot}$ and $66^{+17}_{-18}\,M_{\odot}$, compared to previously reported events, and shows mild evidence for spin-induced orbital precession. The primary falls in the mass gap predicted by (pulsational) pair-instability supernova theory, in the approximate range $65 - 120\,M_{\odot}$. The probability that at least one of the black holes in GW190521 is in that range is 99.0%. The final mass of the merger $(142^{+28}_{-16}\,M_{\odot})$ classifies it as an intermediate-mass black hole. Under the assumption of a quasi-circular binary black hole coalescence, we detail the physical properties of GW190521's source binary and its post-merger remnant, including component masses and spin vectors. Three different waveform models, as well as direct comparison to numerical solutions of general relativity, yield consistent estimates of these properties. Tests of strong-field general relativity targeting the merger-ringdown stages of coalescence indicate consistency of the observed signal with theoretical predictions. We estimate the merger rate of similar systems to be $0.13^{+0.30}_{-0.11}\,{\rm Gpc}^{-3}\,\rm{yr}^{-1}$. We discuss the astrophysical implications of GW190521 for stellar collapse, and for the possible formation of black holes in the pair-instability mass gap through various channels: via (multiple) stellar coalescence, or via hierarchical merger of lower-mass black holes in star clusters or in active galactic nuclei. We find it to be unlikely that GW190521 is a strongly lensed signal of a lower-mass black hole binary merger. We also discuss more exotic possible sources for GW190521, including a highly eccentric black hole binary, or a primordial black hole binary.