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Population Properties of Compact Objects 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., 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., 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. A., Birnholtz, O., Biscans, S., Bischi, M., Biscoveanu, S., Bisht, A., Bitossi, M., Bizouard, M.-A., Blackburn, J. K., Blackman, J., Blair, C. D., Blair, D. G., Blair, R. M., Blanch, O., Bobba, F., Bode, N., Boer, M., Boetzel, Y., Bogaert, G., Boldrini, M., Bondu, F., Bonilla, E., Bonnand, R., Booker, P., Boom, B. A., Bork, R., Boschi, V., Bose, S., Bossilkov, V., Boudart, V., Bouffanais, Y., Bozzi, A., Bradaschia, C., Brady, P. R., Bramley, A., Branchesi, M., Brau, J. E., Breschi, M., Briant, T., Briggs, J. H., Brighenti, F., Brillet, A., Brinkmann, M., Brockill, P., Brooks, A. F., Brooks, J., Brown, D. D., Brunett, S., Bruno, G., Bruntz, R., Buikema, A., Bulik, T., Bulten, H. J., Buonanno, A., Buscicchio, R., Buskulic, D., Byer, R. L., Cabero, M., Cadonati, L., Caesar, M., Cagnoli, G., Cahillane, C., Calderón Bustillo, J., Callaghan, J. D., Callister, T. A., Calloni, E., Camp, J. B., Canepa, M., Cannon, K. C., Cao, H., Cao, J., Carapella, G., Carbognani, F., Carney, M. F., Carpinelli, M., Carullo, G., Carver, T. L., Casanueva Diaz, J., Casentini, C., Caudill, S., Cavaglià, M., Cavalier, F., Cavalieri, R., Cella, G., Cerdá-Durán, P., Cesarini, E., Chaibi, W., Chakravarti, K., Chan, C.-L., Chan, C., Chandra, K., Chanial, P., Chao, S., Charlton, P., Chase, E. A., Chassande-Mottin, E., Chatterjee, D., Chattopadhyay, D., Chaturvedi, M., Chatziioannou, K., Chen, A., Chen, H. Y., Chen, X., Chen, Y., Cheng, H.-P., Cheong, C. K., Chia, H. Y., Chiadini, F., Chierici, R., Chincarini, A., Chiummo, A., Cho, G., Cho, H. S., Cho, M., Choate, S., Christensen, N., Chu, Q., Chua, S., Chung, K. W., Chung, S., Ciani, G., Ciecielag, P., Cieślar, M., Cifaldi, M., Ciobanu, A. A., Ciolfi, R., Cipriano, F., Cirone, A., Clara, F., Clark, E. N., Clark, J. A., Clarke, L., Clearwater, P., Clesse, S., Cleva, F., Coccia, E., Cohadon, P.-F., Cohen, D. E., Colleoni, M., Collette, C. G., Collins, C., Colpi, M., Constancio, M., Conti, L., Cooper, S. J., Corban, P., Corbitt, T. R., Cordero-Carrión, I., Corezzi, S., Corley, K. R., Cornish, N., Corre, D., Corsi, A., Cortese, S., Costa, C. A., Cotesta, R., Coughlin, M. W., Coughlin, S. B., Coulon, J.-P., Countryman, S. T., Couvares, P., Covas, P. B., Coward, D. M., Cowart, M. J., Coyne, D. C., Coyne, R., Creighton, J. D. E., Creighton, T. D., Croquette, M., Crowder, S. G., Cudell, J. R., Cullen, T. J., Cumming, A., Cummings, R., Cunningham, L., Cuoco, E., Curylo, M., Dal Canton, T., Dálya, G., Dana, A., DaneshgaranBajastani, L. M., D’Angelo, B., Danilishin, S. L., D’Antonio, S., Danzmann, K., Darsow-Fromm, C., Dasgupta, A., Datrier, L. E. H., Dattilo, V., Dave, I., Davier, M., Davies, G. S., Davis, D., Daw, E. J., Dean, R., DeBra, D., Deenadayalan, M., Degallaix, J., De Laurentis, M., Deléglise, S., Del Favero, V., De Lillo, F., De Lillo, N., Del Pozzo, W., DeMarchi, L. M., De Matteis, F., D’Emilio, V., Demos, N., Denker, T., Dent, T., Depasse, A., De Pietri, R., De Rosa, R., De Rossi, C., DeSalvo, R., de Varona, O., Dhurandhar, S., Díaz, M. C., Diaz-Ortiz, M., Didio, N. A., Dietrich, T., Di Fiore, L., DiFronzo, C., Di Giorgio, C., Di Giovanni, F., Di Giovanni, M., Di Girolamo, T., Di Lieto, A., Ding, B., Di Pace, S., Di Palma, I., Di Renzo, F., Divakarla, A. K., Dmitriev, A., Doctor, Z., D’Onofrio, L., Donovan, F., Dooley, K. L., Doravari, S., Dorrington, I., Downes, T. P., Drago, M., Driggers, J. C., Du, Z., Ducoin, J.-G., Dupej, P., Durante, O., D’Urso, D., Duverne, P.-A., Dwyer, S. E., Easter, P. J., Eddolls, G., Edelman, B., Edo, T. B., Edy, O., Effler, A., Eichholz, J., Eikenberry, S. S., Eisenmann, M., Eisenstein, R. A., Ejlli, A., Errico, L., Essick, R. C., Estellés, H., Estevez, D., Etienne, Z. B., Etzel, T., Evans, M., Evans, T. M., Ewing, B. E., Fafone, V., Fair, H., Fairhurst, S., Fan, X., Farah, A. M., Farinon, S., Farr, B., Farr, W. M., Fauchon-Jones, E. J., Favata, M., Fays, M., Fazio, M., Feicht, J., Fejer, M. M., Feng, F., Fenyvesi, E., Ferguson, D. L., Fernandez-Galiana, A., Ferrante, I., Ferreira, T. A., Fidecaro, F., Figura, P., Fiori, I., Fiorucci, D., Fishbach, M., Fisher, R. P., Fishner, J. M., Fittipaldi, R., Fitz-Axen, M., Fiumara, V., Flaminio, R., Floden, E., Flynn, E., Fong, H., Font, J. A., Forsyth, P. W. F., Fournier, J.-D., Frasca, S., Frasconi, F., Frei, Z., Freise, A., Frey, R., Frey, V., Fritschel, P., Frolov, V. V., Fronzé, G. G., Fulda, P., Fyffe, M., Gabbard, H. A., Gadre, B. U., Gaebel, S. M., Gair, J. R., Gais, J., Galaudage, S., Gamba, R., Ganapathy, D., Ganguly, A., Gaonkar, S. G., Garaventa, B., García-Quirós, C., Garufi, F., Gateley, B., Gaudio, S., Gayathri, V., Gemme, G., Gennai, A., George, D., George, J., Gergely, L., Ghonge, S., Ghosh, Abhirup, Ghosh, Archisman, Ghosh, S., Giacomazzo, B., Giacoppo, L., Giaime, J. A., Giardina, K. D., Gibson, D. R., Gier, C., Gill, K., Giri, P., Glanzer, J., Gleckl, A. E., Godwin, P., Goetz, E., Goetz, R., Gohlke, N., Goncharov, B., González, G., Gopakumar, A., Gossan, S. E., Gosselin, M., Gouaty, R., Grace, B., Grado, A., Granata, M., Granata, V., Grant, A., Gras, S., Grassia, P., Gray, C., Gray, R., Greco, G., Green, A. C., Green, R., Gretarsson, E. M., Griggs, H. L., Grignani, G., Grimaldi, A., Grimes, E., Grimm, S. J., Grote, H., Grunewald, S., Gruning, P., Guerrero, J. G., Guidi, G. M., Guimaraes, A. R., Guixé, G., Gulati, H. K., Guo, Y., Gupta, Anchal, Gupta, Anuradha, Gupta, P., Gustafson, E. K., Gustafson, R., Guzman, F., Haegel, L., Halim, O., Hall, E. D., Hamilton, E. Z., Hammond, G., Haney, M., Hanke, M. M., Hanks, J., Hanna, C., Hannuksela, O. A., Hannuksela, O., Hansen, H., Hansen, T. J., Hanson, J., Harder, T., Hardwick, T., Haris, K., Harms, J., Harry, G. M., Harry, I. W., Hartwig, D., Hasskew, R. K., Haster, C.-J., Haughian, K., Hayes, F. J., Healy, J., Heidmann, A., Heintze, M. C., Heinze, J., Heinzel, J., Heitmann, H., Hellman, F., Hello, P., Helmling-Cornell, A. F., Hemming, G., Hendry, M., Heng, I. S., Hennes, E., Hennig, J., Hennig, M. H., Hernandez Vivanco, F., Heurs, M., Hild, S., Hill, P., Hines, A. S., Hochheim, S., Hofgard, E., Hofman, D., Hohmann, J. N., Holgado, A. M., Holland, N. A., Hollows, I. J., Holmes, Z. J., Holt, K., Holz, D. E., Hopkins, P., Horst, C., Hough, J., Howell, E. J., Hoy, C. G., Hoyland, D., Huang, Y., Hübner, M. T., Huddart, A. D., Huerta, E. A., Hughey, B., Hui, V., Husa, S., Huttner, S. H., Hutzler, B. M., Huxford, R., Huynh-Dinh, T., Idzkowski, B., Iess, A., Imperato, S., Inchauspe, H., Ingram, C., Intini, G., Isi, M., Iyer, B. R., JaberianHamedan, V., Jacqmin, T., Jadhav, S. J., Jadhav, S. P., James, A. L., Jani, K., Janssens, K., Janthalur, N. N., Jaranowski, P., Jariwala, D., Jaume, R., Jenkins, A. C., Jeunon, M., Jiang, J., Johns, G. R., Jones, A. W., Jones, D. I., Jones, J. D., Jones, P., Jones, R., Jonker, R. J. G., Ju, L., Junker, J., Kalaghatgi, C. V., Kalogera, V., Kamai, B., Kandhasamy, S., Kang, G., Kanner, J. B., Kapadia, S. J., Kapasi, D. P., Karathanasis, C., Karki, S., Kashyap, R., Kasprzack, M., Kastaun, W., Katsanevas, S., Katsavounidis, E., Katzman, W., Kawabe, K., Kéfélian, F., Keitel, D., Key, J. S., Khadka, S., Khalili, F. Y., Khan, I., Khan, S., Khazanov, E. A., Khetan, N., Khursheed, M., Kijbunchoo, N., Kim, C., Kim, G. J., Kim, J. C., Kim, K., Kim, W. S., Kim, Y.-M., Kimball, C., King, P. J., Kinley-Hanlon, M., Kirchhoff, R., Kissel, J. S., Kleybolte, L., Klimenko, S., Knowles, T. D., Knyazev, E., Koch, P., Koehlenbeck, S. M., Koekoek, G., Koley, S., Kolstein, M., Komori, K., Kondrashov, V., Kontos, A., Koper, N., Korobko, M., Korth, W. Z., Kovalam, M., Kozak, D. B., Krämer, C., Kringel, V., Krishnendu, N. V., Królak, A., Kuehn, G., Kumar, A., Kumar, P., Kumar, Rahul, Kumar, Rakesh, Kuns, K., Kwang, S., Lackey, B. D., Laghi, D., Lalande, E., Lam, T. L., Lamberts, A., Landry, M., Lane, B. B., Lang, R. N., Lange, J., Lantz, B., Lanza, R. K., La Rosa, I., Lartaux-Vollard, A., Lasky, P. D., Laxen, M., Lazzarini, A., Lazzaro, C., Leaci, P., Leavey, S., Lecoeuche, Y. K., Lee, H. M., Lee, H. W., Lee, J., Lee, K., Lehmann, J., Leon, E., Leroy, N., Letendre, N., Levin, Y., Li, A., Li, J., Li, K. J. L., Li, T. G. F., Li, X., Linde, F., Linker, S. D., Linley, J. N., Littenberg, T. B., Liu, J., Liu, X., Llorens-Monteagudo, M., Lo, R. K. L., Lockwood, A., London, L. 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C., McIsaac, C., McIver, J., McManus, D. J., McRae, T., McWilliams, S. T., Meacher, D., Meadors, G. D., Mehmet, M., Mehta, A. K., Melatos, A., Melchor, D. A., Mendell, G., Menendez-Vazquez, A., Mercer, R. A., Mereni, L., Merfeld, K., Merilh, E. L., Merritt, J. D., Merzougui, M., Meshkov, S., Messenger, C., Messick, C., Metzdorff, R., Meyers, P. M., Meylahn, F., Mhaske, A., Miani, A., Miao, H., Michaloliakos, I., Michel, C., Middleton, H., Milano, L., Miller, A. L., Miller, S., Millhouse, M., Mills, J. C., Milotti, E., Milovich-Goff, M. C., Minazzoli, O., Minenkov, Y., Mir, Ll. M., Mishkin, A., Mishra, C., Mistry, T., Mitra, S., Mitrofanov, V. P., Mitselmakher, G., Mittleman, R., Mo, G., Mogushi, K., Mohapatra, S. R. P., Mohite, S. R., Molina, I., Molina-Ruiz, M., Mondin, M., Montani, M., Moore, C. J., Moraru, D., Morawski, F., Moreno, G., Morisaki, S., Mours, B., Mow-Lowry, C. 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E., Wade, M., Walet, R. C., Walker, M., Wallace, G. S., Wallace, L., Walsh, S., Wang, J. Z., Wang, S., Wang, W. H., Wang, Y. F., Ward, R. L., Warner, J., Was, M., Washington, N. Y., Watchi, J., Weaver, B., Wei, L., Weinert, M., Weinstein, A. J., Weiss, R., Wellmann, F., Wen, L., Weßels, P., Westhouse, J. W., Wette, K., Whelan, J. T., White, D. D., White, L. V., Whiting, B. F., Whittle, C., Wilken, D. M., Williams, D., Williams, M. J., Williamson, A. R., Willis, J. L., Willke, B., Wilson, D. J., Wimmer, M. H., Winkler, W., Wipf, C. C., Woan, G., Woehler, J., Wofford, J. K., Wong, I. C. F., Wrangel, J., Wright, J. L., Wu, D. S., Wysocki, D. M., Xiao, L., Yamamoto, H., Yang, L., Yang, Y., Yang, Z., Yap, M. J., Yeeles, D. W., Yoon, A., Yu, Hang, Yu, Haocun, Yuen, S. H. R., Zadrożny, A., Zanolin, M., Zelenova, T., Zendri, J.-P., Zevin, M., Zhang, J., Zhang, L., Zhang, R., Zhang, T., Zhao, C., Zhao, G., Zhou, M., Zhou, Z., Zhu, X. J., Zimmerman, A. B., Zucker, M. E., Zweizig, J., The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration·2021·The Astrophysical Journal Letters
DOI 10.3847/2041-8213/abe949
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Abstract

We report on the population of 47 compact binary mergers detected with a false-alarm rate of < 1 yr − 1 in the second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog. We observe several characteristics of the merging binary black hole (BBH) population not discernible until now. First, the primary mass spectrum contains structure beyond a power law with a sharp high-mass cutoff; it is more consistent with a broken power law with a break at 39.7 − 9.1 + 20.3 M ⊙ or a power law with a Gaussian feature peaking at 33.1 − 5.6 + 4.0 M ⊙ (90% credible interval). While the primary mass distribution must extend to ∼ 65 M ⊙ or beyond, only 2.9 − 1.7 + 3.5 % of systems have primary masses greater than 45 M ⊙ . Second, we find that a fraction of BBH systems have component spins misaligned with the orbital angular momentum, giving rise to precession of the orbital plane. Moreover, 12 %– 44 % of BBH systems have spins tilted by more than 90°, giving rise to a negative effective inspiral spin parameter, χ eff . Under the assumption that such systems can only be formed by dynamical interactions, we infer that between 25% and 93% of BBHs with nonvanishing ∣ χ eff ∣ > 0.01 are dynamically assembled. Third, we estimate merger rates, finding R BBH = 23.9 − 8.6 + 14.3 Gpc − 3 yr − 1 for BBHs and R BNS = 320 − 240 + 490 Gpc − 3 yr − 1 for binary neutron stars. We find that the BBH rate likely increases with redshift ( 85 % credibility) but not faster than the star formation rate ( 86 % credibility). Additionally, we examine recent exceptional events in the context of our population models, finding that the asymmetric masses of GW190412 and the high component masses of GW190521 are consistent with our models, but the low secondary mass of GW190814 makes it an outlier.

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Authors
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E., Zweizig, J., & The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration
Venue
The Astrophysical Journal Letters
Publisher
American Astronomical Society
Published
2021-05-01
Volume
913
Issue
1
Pages
L7
ISSN
  • 2041-8205 (ISSN-L)
  • 2041-8213
DOI
10.3847/2041-8213/abe949
OpenAlex
W3161193838
Cited by
889
References
170
FWCI
95.63
Type
journal article
Language
en
Open access
bronze

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CoChat. (2026). Citation check: Population Properties of Compact Objects from the Second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog. https://app.cochat.ai/papers/10.3847/2041-8213/abe949
The paper
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., Allen, G., Allocca, A., . . . The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration. (2021). Population Properties of Compact Objects from the Second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog. The Astrophysical Journal Letters. https://doi.org/10.3847/2041-8213/abe949

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.