Binary black hole spins: model selection with GWTC-3

The origin of the spins of stellar-mass black holes is still controversial, and angular momentum transport inside massive stars is one of the main sources of uncertainty. Here, we apply hierarchical Bayesian inference to derive constraints on spin models from the 59 most confident binary black hole merger events in the third gravitational-wave transient catalogue (GWTC-3). We consider up to five parameters: chirp mass, mass ratio, redshift, effective spin, and precessing spin. For model selection, we use a set of binary population synthesis simulations spanning drastically different assumptions for black hole spins and natal kicks. In particular, our spin models range from maximal to minimal efficiency of angular momentum transport in stars. We find that, if we include the precessing spin parameter into our analysis, models predicting only vanishingly small spins are in tension with GWTC-3 data. On the other hand, models in which most spins are vanishingly small, but that also include a sub-population of tidally spun-up black holes are a good match to the data. Our results show that the precessing spin parameter has a crucial impact on model selection.Comment: 11 pages, submitted to mnras. arXiv admin note: text overlap with arXiv:2102.12495 by same author

Impact of gas hardening on the population properties of hierarchical black hole mergers in AGN disks

Hierarchical black hole (BH) mergers in active galactic nuclei (AGNs) are unique among formation channels of binary black holes (BBHs) because they are likely associated with electromagnetic counterparts and can efficiently lead to the mass growth of BHs. Here, we explore the impact of gas accretion and migration traps on the evolution of BBHs in AGNs. We have developed a new fast semi-analytic model, which allows us to explore the parameter space while capturing the main physical processes involved. We find that effective exchange of energy and angular momentum between the BBH and the surrounding gas (hereafter, gas hardening) during inspiral greatly enhances the efficiency of hierarchical mergers, leading to the formation of intermediate-mass BHs (up to 10.000 solar masses) and triggering spin alignment. Moreover, our models with efficient gas hardening show both an anti-correlation between BBH mass ratio and effective spin, and a correlation between primary BH mass and effective spin. In contrast, if gas hardening is inefficient, the hierarchical merger chain is already truncated after the first two or three generations. We compare the BBH population in AGNs with other dynamical channels as well as isolated binary evolution.Comment: 21 pages, 15 figures, submitted to A&A, comments welcom

Science with the Einstein Telescope: a comparison of different designs

The Einstein Telescope (ET), the European project for a third-generation gravitational-wave detector, has a reference configuration based on a triangular shape consisting of three nested detectors with 10 km arms, where in each arm there is a `xylophone' configuration made of an interferometer tuned toward high frequencies, and an interferometer tuned toward low frequencies and working at cryogenic temperature. Here, we examine the scientific perspectives under possible variations of this reference design. We perform a detailed evaluation of the science case for a single triangular geometry observatory, and we compare it with the results obtained for a network of two L-shaped detectors (either parallel or misaligned) located in Europe, considering different choices of arm-length for both the triangle and the 2L geometries. We also study how the science output changes in the absence of the low-frequency instrument, both for the triangle and the 2L configurations. We examine a broad class of simple `metrics' that quantify the science output, related to compact binary coalescences, multi-messenger astronomy and stochastic backgrounds, and we then examine the impact of different detector designs on a more specific set of scientific objectives.Comment: 197 pages, 72 figure

Étude des bruits dans le détecteur Virgo et de la contribution des CBCs au fond stochastique gravitationnel

The LIGO-Virgo collaborations detectors ended last march 2020 the third gravitational waves observation run. Today more than 50 events of compacts binaries coalescences have been registerd highlighting new questions on current astrophysical models. In this manuscript are studied two main areas the noise propagation in the Virgo interferometer and the study of the impact of different binary population formation channels to the gravitational stochastic background. The understanding and the reduction of the interferometer noises are crucial for detectors understanding and updates, and new interferometer designs. In this manuscript is presented the control loops modeling. They are used to control the position of the interferometer optical elements and the laser beam characteristics, and are essential to maintain the interferometer at its working point. However it offers new opportunities for noises to propagate into the detector. We distinguish three types of controls : longitudinal control aims to constrain the mirrors position, the angular control insure the orientation of optical elements and the laser control maintain the laser frequency and power stable. This study presents two loops: one longitudinal control loop MICH and the frequency control loop SSFS. Non-resolved sources participate to a signal called stochastic gravitational waves background, which will be detected in the next years with the future third generation interferometers (Einstein Telescope and Cosmic Explorer) and the space antenna (LISA). The compact binary coalescences are expected to be the main contribution to this signal, and these studies aim to present the impact of some compact object formation channels to the stochastic background. A first study evaluate the energy density spectra of binary coalescences from population III stars, accounting for two new parameters the orbital and the redshift evolution. These parameters allowed to extend this study in the millihertz frequency range, including then the LISA sensitivity. In addition, a new population of non-merging binaries has been included. A second study concerns compact object binaries from young star cluster. These clusters are dense and imply new phenomena in the stars evolution as dynamical interactions. This new formation channel yields to specific parameter distributions (mass, orbital distance, spin), which are impacting the energy density background spectra. These two studies demonstrate that neither these formation channels nor the orbital evolution have an impact on the stochastic background in 2G detectors (LIGO-Virgo). However, the detection of this background by third generation detectors might reveal crucial informations concerning these formation channels.Les détecteurs terrestres des collaborations LIGO-Virgo ont terminé début mars 2020, la troisième phase d'observation d'ondes gravitationnelles. Aujourd'hui plus de 50 évènements de coalescences d'objets compacts ont été enregistrés soulevant de nouvelles questions sur les modèles de l'astrophysique actuelle. Les travaux présentés ici se concentrent sur deux domaines, la propagation des bruits dans l'interféromètre Virgo et l'étude de la contribution des coalescences au fond stochastique gravitationnel. La compréhension et la réductions des bruits de l'interféromètre est nécessaire à la compréhension et à la mise en place d'améliorations de Virgo et au design de futurs interféromètres. Dans ces travaux est présentée la modèlisation des boucles d'asservissements. Elles sont utilisées pour contrôler la position des élements optiques ainsi que les caractéristiques du faisceau laser injecté et indispensables au maintient de l'interféromètre à son point de fonctionnement. Cependant elles offrent également un nouveau canal de propagation de bruits dans le détecteur. On distingue trois types d'asservissements : l'asservissement longitidinal qui contrôle la position des miroirs, l'asservissement angulaire qui maintient l'orientation des éléments optiques, et l'asservissement en fréquence du laser. Les travaux présentés ici se concentrent sur deux boucles : une boucle d'asservissement longitudinale (MICH) et une boucle d'asservissement en fréquence (SSFS). Les sources non-résolues par les détecteurs sont l'objet d'un signal, le fond stochastique gravitationnel, qui pourra être détecté dans les prochaines années avec la construction de nouveaux interférometres terrestres de troisième génération (Einstein Telescope et Cosmic Explorer) et spatial (LISA). La contribution des coalescences d'objets compacts dominera ce signal, et ces travaux présentent l'étude de l'impact de différents canaux de formations des objets compacts sur le fond stochastique gravitationnel. Une première étude portera sur l'évaluation du spectre de la densité d'énergie des coalescences d'objets compacts résidus d'étoiles de la population III, prenant en considération deux nouveaux parametres l'évolution orbitale et celle du redshift. Ces deux pamrametres permettent d'étendre l'étude du spectre aux milliHertz, et ainsi prendre en considération LISA. De plus cette étude inclus la population de binaires qui ne fusionne pas dans un temps de Hubble. La seconde étude concerne les binaires d'objets compacts évoluant dans les jeunes amas d'étoiles. Les jeunes amas d'étoiles sont denses et impliquent de prendre en compte de nouveau phénomènes d'évolution des systèmes binaires telle que les interactions dynamiques. De ce fait les systèmes binaires provenant des amas ont des distributions de paramètres (masses, rayon de l'orbite, spin) qui leurs sont propres et qui ont un impact sur le spectre de la densité d'énergie. Ces deux études montrent que l'excentricité et l'inclusion de ces nouveaux canaux de formation n'ont pas d'impact dans les détecteurs terrestres de seconde génération (LIGO-Virgo) mais la détection de ce fond stochastique avec la troisième génération de détecteurs pourraient apporter des informations cruciales quant à la formation des systèmes binaires

Étude des bruits dans le détecteur Virgo et de la contribution des CBCs au fond stochastique gravitationnel

The LIGO-Virgo collaborations detectors ended last march 2020 the third gravitational waves observation run. Today more than 50 events of compacts binaries coalescences have been registerd highlighting new questions on current astrophysical models. In this manuscript are studied two main areas the noise propagation in the Virgo interferometer and the study of the impact of different binary population formation channels to the gravitational stochastic background. The understanding and the reduction of the interferometer noises are crucial for detectors understanding and updates, and new interferometer designs. In this manuscript is presented the control loops modeling. They are used to control the position of the interferometer optical elements and the laser beam characteristics, and are essential to maintain the interferometer at its working point. However it offers new opportunities for noises to propagate into the detector. We distinguish three types of controls : longitudinal control aims to constrain the mirrors position, the angular control insure the orientation of optical elements and the laser control maintain the laser frequency and power stable. This study presents two loops: one longitudinal control loop MICH and the frequency control loop SSFS. Non-resolved sources participate to a signal called stochastic gravitational waves background, which will be detected in the next years with the future third generation interferometers (Einstein Telescope and Cosmic Explorer) and the space antenna (LISA). The compact binary coalescences are expected to be the main contribution to this signal, and these studies aim to present the impact of some compact object formation channels to the stochastic background. A first study evaluate the energy density spectra of binary coalescences from population III stars, accounting for two new parameters the orbital and the redshift evolution. These parameters allowed to extend this study in the millihertz frequency range, including then the LISA sensitivity. In addition, a new population of non-merging binaries has been included. A second study concerns compact object binaries from young star cluster. These clusters are dense and imply new phenomena in the stars evolution as dynamical interactions. This new formation channel yields to specific parameter distributions (mass, orbital distance, spin), which are impacting the energy density background spectra. These two studies demonstrate that neither these formation channels nor the orbital evolution have an impact on the stochastic background in 2G detectors (LIGO-Virgo). However, the detection of this background by third generation detectors might reveal crucial informations concerning these formation channels.Les détecteurs terrestres des collaborations LIGO-Virgo ont terminé début mars 2020, la troisième phase d'observation d'ondes gravitationnelles. Aujourd'hui plus de 50 évènements de coalescences d'objets compacts ont été enregistrés soulevant de nouvelles questions sur les modèles de l'astrophysique actuelle. Les travaux présentés ici se concentrent sur deux domaines, la propagation des bruits dans l'interféromètre Virgo et l'étude de la contribution des coalescences au fond stochastique gravitationnel. La compréhension et la réductions des bruits de l'interféromètre est nécessaire à la compréhension et à la mise en place d'améliorations de Virgo et au design de futurs interféromètres. Dans ces travaux est présentée la modèlisation des boucles d'asservissements. Elles sont utilisées pour contrôler la position des élements optiques ainsi que les caractéristiques du faisceau laser injecté et indispensables au maintient de l'interféromètre à son point de fonctionnement. Cependant elles offrent également un nouveau canal de propagation de bruits dans le détecteur. On distingue trois types d'asservissements : l'asservissement longitidinal qui contrôle la position des miroirs, l'asservissement angulaire qui maintient l'orientation des éléments optiques, et l'asservissement en fréquence du laser. Les travaux présentés ici se concentrent sur deux boucles : une boucle d'asservissement longitudinale (MICH) et une boucle d'asservissement en fréquence (SSFS). Les sources non-résolues par les détecteurs sont l'objet d'un signal, le fond stochastique gravitationnel, qui pourra être détecté dans les prochaines années avec la construction de nouveaux interférometres terrestres de troisième génération (Einstein Telescope et Cosmic Explorer) et spatial (LISA). La contribution des coalescences d'objets compacts dominera ce signal, et ces travaux présentent l'étude de l'impact de différents canaux de formations des objets compacts sur le fond stochastique gravitationnel. Une première étude portera sur l'évaluation du spectre de la densité d'énergie des coalescences d'objets compacts résidus d'étoiles de la population III, prenant en considération deux nouveaux parametres l'évolution orbitale et celle du redshift. Ces deux pamrametres permettent d'étendre l'étude du spectre aux milliHertz, et ainsi prendre en considération LISA. De plus cette étude inclus la population de binaires qui ne fusionne pas dans un temps de Hubble. La seconde étude concerne les binaires d'objets compacts évoluant dans les jeunes amas d'étoiles. Les jeunes amas d'étoiles sont denses et impliquent de prendre en compte de nouveau phénomènes d'évolution des systèmes binaires telle que les interactions dynamiques. De ce fait les systèmes binaires provenant des amas ont des distributions de paramètres (masses, rayon de l'orbite, spin) qui leurs sont propres et qui ont un impact sur le spectre de la densité d'énergie. Ces deux études montrent que l'excentricité et l'inclusion de ces nouveaux canaux de formation n'ont pas d'impact dans les détecteurs terrestres de seconde génération (LIGO-Virgo) mais la détection de ce fond stochastique avec la troisième génération de détecteurs pourraient apporter des informations cruciales quant à la formation des systèmes binaires

Étude des bruits dans le détecteur Virgo et de la contribution des CBCs au fond stochastique gravitationnel

The LIGO-Virgo collaborations detectors ended last march 2020 the third gravitational waves observation run. Today more than 50 events of compacts binaries coalescences have been registerd highlighting new questions on current astrophysical models. In this manuscript are studied two main areas the noise propagation in the Virgo interferometer and the study of the impact of different binary population formation channels to the gravitational stochastic background. The understanding and the reduction of the interferometer noises are crucial for detectors understanding and updates, and new interferometer designs. In this manuscript is presented the control loops modeling. They are used to control the position of the interferometer optical elements and the laser beam characteristics, and are essential to maintain the interferometer at its working point. However it offers new opportunities for noises to propagate into the detector. We distinguish three types of controls : longitudinal control aims to constrain the mirrors position, the angular control insure the orientation of optical elements and the laser control maintain the laser frequency and power stable. This study presents two loops: one longitudinal control loop MICH and the frequency control loop SSFS. Non-resolved sources participate to a signal called stochastic gravitational waves background, which will be detected in the next years with the future third generation interferometers (Einstein Telescope and Cosmic Explorer) and the space antenna (LISA). The compact binary coalescences are expected to be the main contribution to this signal, and these studies aim to present the impact of some compact object formation channels to the stochastic background. A first study evaluate the energy density spectra of binary coalescences from population III stars, accounting for two new parameters the orbital and the redshift evolution. These parameters allowed to extend this study in the millihertz frequency range, including then the LISA sensitivity. In addition, a new population of non-merging binaries has been included. A second study concerns compact object binaries from young star cluster. These clusters are dense and imply new phenomena in the stars evolution as dynamical interactions. This new formation channel yields to specific parameter distributions (mass, orbital distance, spin), which are impacting the energy density background spectra. These two studies demonstrate that neither these formation channels nor the orbital evolution have an impact on the stochastic background in 2G detectors (LIGO-Virgo). However, the detection of this background by third generation detectors might reveal crucial informations concerning these formation channels.Les détecteurs terrestres des collaborations LIGO-Virgo ont terminé début mars 2020, la troisième phase d'observation d'ondes gravitationnelles. Aujourd'hui plus de 50 évènements de coalescences d'objets compacts ont été enregistrés soulevant de nouvelles questions sur les modèles de l'astrophysique actuelle. Les travaux présentés ici se concentrent sur deux domaines, la propagation des bruits dans l'interféromètre Virgo et l'étude de la contribution des coalescences au fond stochastique gravitationnel. La compréhension et la réductions des bruits de l'interféromètre est nécessaire à la compréhension et à la mise en place d'améliorations de Virgo et au design de futurs interféromètres. Dans ces travaux est présentée la modèlisation des boucles d'asservissements. Elles sont utilisées pour contrôler la position des élements optiques ainsi que les caractéristiques du faisceau laser injecté et indispensables au maintient de l'interféromètre à son point de fonctionnement. Cependant elles offrent également un nouveau canal de propagation de bruits dans le détecteur. On distingue trois types d'asservissements : l'asservissement longitidinal qui contrôle la position des miroirs, l'asservissement angulaire qui maintient l'orientation des éléments optiques, et l'asservissement en fréquence du laser. Les travaux présentés ici se concentrent sur deux boucles : une boucle d'asservissement longitudinale (MICH) et une boucle d'asservissement en fréquence (SSFS). Les sources non-résolues par les détecteurs sont l'objet d'un signal, le fond stochastique gravitationnel, qui pourra être détecté dans les prochaines années avec la construction de nouveaux interférometres terrestres de troisième génération (Einstein Telescope et Cosmic Explorer) et spatial (LISA). La contribution des coalescences d'objets compacts dominera ce signal, et ces travaux présentent l'étude de l'impact de différents canaux de formations des objets compacts sur le fond stochastique gravitationnel. Une première étude portera sur l'évaluation du spectre de la densité d'énergie des coalescences d'objets compacts résidus d'étoiles de la population III, prenant en considération deux nouveaux parametres l'évolution orbitale et celle du redshift. Ces deux pamrametres permettent d'étendre l'étude du spectre aux milliHertz, et ainsi prendre en considération LISA. De plus cette étude inclus la population de binaires qui ne fusionne pas dans un temps de Hubble. La seconde étude concerne les binaires d'objets compacts évoluant dans les jeunes amas d'étoiles. Les jeunes amas d'étoiles sont denses et impliquent de prendre en compte de nouveau phénomènes d'évolution des systèmes binaires telle que les interactions dynamiques. De ce fait les systèmes binaires provenant des amas ont des distributions de paramètres (masses, rayon de l'orbite, spin) qui leurs sont propres et qui ont un impact sur le spectre de la densité d'énergie. Ces deux études montrent que l'excentricité et l'inclusion de ces nouveaux canaux de formation n'ont pas d'impact dans les détecteurs terrestres de seconde génération (LIGO-Virgo) mais la détection de ce fond stochastique avec la troisième génération de détecteurs pourraient apporter des informations cruciales quant à la formation des systèmes binaires

Gravitational background from dynamical binaries and detectability with 2G detectors

International audienceWe study the impact of young clusters on the gravitational wave background from compact binary coalescence. We simulate a catalog of sources from population I/II isolated binary stars and stars born in young clusters, corresponding to one year of observations with second-generation (2G) detectors. Taking into account uncertainties on the fraction of dynamical binaries and star formation parameters, we find that the background is dominated by the population of binary black holes, and we obtain a value of Ωgw(25  Hz)=1.2-0.65+1.38×10-9 for the energy density, in agreement with the actual upper limits derived from the latest observation run of LIGO–Virgo. We demonstrate that a large number of sources in a specific corrected mass range yields to a bump in the background. This background could be detected with 8 years of coincident data by a network of 2G detectors