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Tests of general relativity with binary black holes from the second LIGO-Virgo gravitational-wave transient catalog

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Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S., Acernese, F., Ackley, K., Adams, A., Adams, C., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., Akcay, S., Allen, G., Allocca, A., Altin, P. A., Amato, A., Anand, S., Ananyeva, A., Anderson, S. B., Anderson, W. G., Angelova, S. V., Ansoldi, S., Antelis, J. M., Antier, S., Appert, S., Arai, K., Araya, M. C., Areeda, J. S., Arène, M., Arnaud, N., Aronson, S. M., Arun, K. G., Asali, Y., Ascenzi, S., Ashton, G., Aston, S. M., Astone, P., Aubin, F., Aufmuth, P., AultONeal, K., Austin, C., Avendano, V., Babak, S., Badaracco, F., Bader, M. K. M., Bae, S., Baer, A. M., Bagnasco, S., Baird, J., Ball, M., Ballardin, G., Ballmer, S. W., Bals, A., Balsamo, A., Baltus, G., Banagiri, S., Bankar, D., Bankar, R. S., Barayoga, J. C., Barbieri, C., Barish, B. C., Barker, D., Barneo, P., Barnum, S., Barone, F., Barr, B., Barsotti, L., Barsuglia, M., Barta, D., Bartlett, J., Bartos, I., Bassiri, R., Basti, A., Bawaj, M., Bayley, J. C., Bazzan, M., Becher, B. R., Bécsy, B., Bedakihale, V. M., Bejger, M., Belahcene, I., Beniwal, D., Benjamin, M. G., Benkel, R., Bennett, T. F., Bentley, J. D., Bergamin, F., Berger, B. K., Bergmann, G., Bernuzzi, S., Berry, C. P. L., Bersanetti, D., Bertolini, A., Betzwieser, J., Bhandare, R., Bhandari, A. V., Bhattacharjee, D., Bidler, J., Bilenko, I. A., Billingsley, G., Birney, I. 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DOI 10.1103/physrevd.103.122002
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Abstract

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.

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Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S., Acernese, F., Ackley, K., Adams, A., Adams, C., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., Akcay, S., Allen, G., Allocca, A., Altin, P. A., Amato, A., Anand, S., Ananyeva, A., Anderson, S. B., Anderson, W. G., Angelova, S. V., Ansoldi, S., Antelis, J. M., Antier, S., Appert, S., Arai, K., Araya, M. C., Areeda, J. S., Arène, M., Arnaud, N., Aronson, S. M., Arun, K. G., Asali, Y., Ascenzi, S., Ashton, G., Aston, S. M., Astone, P., Aubin, F., Aufmuth, P., AultONeal, K., Austin, C., Avendano, V., Babak, S., Badaracco, F., Bader, M. K. M., Bae, S., Baer, A. M., Bagnasco, S., Baird, J., Ball, M., Ballardin, G., Ballmer, S. W., Bals, A., Balsamo, A., Baltus, G., Banagiri, S., Bankar, D., Bankar, R. S., Barayoga, J. C., Barbieri, C., Barish, B. 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Venue
Physical Review D
Publisher
American Physical Society (APS)
Published
2021-06-15
Volume
103
Issue
12
ISSN
  • 2470-0010 (ISSN-L)
  • 2470-0029
DOI
10.1103/physrevd.103.122002
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Registry, retraction, Cites and statistics results are computed, not judged, with one exception: a printed reference that no index lists is read once by a model before it counts as a citation error. Claims are extracted by a model and kept only when their quote appears verbatim in the text; each cited source is then checked, with a model’s help, for whether it says what the claim relies on. Those verdicts can be wrong — read the claim’s quote and the cited source before relying on one.

Statistics and arithmetic are recomputed, not judged.

Confidence bands are shown only for fields calibrated on our annotated test set. None is calibrated yet, so no band is shown.

What counts as a claim ›How we measure confidence ›How we check this ›

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Data sources

Bibliographic data: Semantic Scholar, OpenAlex, Crossref.

Contains information from the Semantic Scholar Academic Graph Datasets, made available under the ODC Attribution License (ODC-BY 1.0).

Semantic Scholar’s data is described in: Kinney, R., et al. (2023). The Semantic Scholar Open Data Platform. arXiv:2301.10140.