The astronomical event GW170817, detected in gravitational and electromagnetic waves, is used to determine the expansion rate of the Universe, which is consistent with and independent of existing measurements. The gravitational-wave signature of merging black holes or neutron stars yields the distance to the merger. If a counterpart is observed and its recession velocity arising from the Hubble flow is known, then a calibration of the Hubble constant that is entirely independent of the usual 'distance ladder' is possible. The gravitational-wave event of 17 August 2017 (GW170817) corresponded to the merger of two neutron stars, and an associated 'kilonova' was seen. Daniel Holz and the LIGO–Virgo collaboration, along with a group of astronomers involved with the search for the counterpart, have determined that the Hubble constant calculated this way is about 70 kilometres per second per megaparsec. This is consistent with other determinations, but independent of them. On 17 August 2017, the Advanced LIGO1 and Virgo2 detectors observed the gravitational-wave event GW170817—a strong signal from the merger of a binary neutron-star system3. Less than two seconds after the merger, a γ-ray burst (GRB 170817A) was detected within a region of the sky consistent with the LIGO–Virgo-derived location of the gravitational-wave source4,5,6. This sky region was subsequently observed by optical astronomy facilities7, resulting in the identification8,9,10,11,12,13 of an optical transient signal within about ten arcseconds of the galaxy NGC 4993. This detection of GW170817 in both gravitational waves and electromagnetic waves represents the first ‘multi-messenger’ astronomical observation. Such observations enable GW170817 to be used as a ‘standard siren’14,15,16,17,18 (meaning that the absolute distance to the source can be determined directly from the gravitational-wave measurements) to measure the Hubble constant. This quantity represents the local expansion rate of the Universe, sets the overall scale of the Universe and is of fundamental importance to cosmology. Here we report a measurement of the Hubble constant that combines the distance to the source inferred purely from the gravitational-wave signal with the recession velocity inferred from measurements of the redshift using the electromagnetic data. In contrast to previous measurements, ours does not require the use of a cosmic ‘distance ladder’19: the gravitational-wave analysis can be used to estimate the luminosity distance out to cosmological scales directly, without the use of intermediate astronomical distance measurements. We determine the Hubble constant to be about 70 kilometres per second per megaparsec. This value is consistent with existing measurements20,21, while being completely independent of them. Additional standard siren measurements from future gravitational-wave sources will enable the Hubble constant to be constrained to high precision.

Around the globe several observatories are seeking the first direct detection of gravitational waves (GWs). These waves are predicted by Einstein's General Theory of Relativity [Einstein, A., Annalen der Physik 49, 769-822 (1916)] and are generated e.g. by black-hole binary systems [Sathyaprakash, B. S. and Schutz, B. F., Living Rev. Relativity 12, 2 (2009)]. Current GW detectors are Michelson-type kilometer-scale laser interferometers measuring the distance changes between in vacuum suspended mirrors. The sensitivity of these detectors at frequencies above several hundred hertz is limited by the vacuum (zero-point) fluctuations of the electromagnetic field. A quantum technology - the injection of squeezed light [Caves, C. M., Phys. Rev. D 23, 1693-1708 (1981)] - offers a solution to this problem. Here we demonstrate the squeezed-light enhancement of GEO600, which will be the GW observatory operated by the LIGO Scientific Collaboration in its search for GWs for the next 3-4 years. GEO600 now operates with its best ever sensitivity, which proves the usefulness of quantum entanglement and the qualification of squeezed light as a key technology for future GW astronomy.

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.