Population Properties of Compact Objects from the Second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog

Abstract We report on the population of 47 compact binary mergers detected with a false-alarm rate of &lt; <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>yr</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> 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 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>39.7</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>9.1</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>20.3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> or a power law with a Gaussian feature peaking at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>33.1</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>5.6</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>4.0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> (90% credible interval). While the primary mass distribution must extend to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>65</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> or beyond, only <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>2.9</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1.7</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>3.5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:math> of systems have primary masses greater than <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>45</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> . 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, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>12</mml:mn> </mml:math> %– <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>44</mml:mn> </mml:math> % of BBH systems have spins tilted by more than 90°, giving rise to a negative effective inspiral spin parameter, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>χ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>eff</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> . Under the assumption that such systems can only be formed by dynamical interactions, we infer that between 25% and 93% of BBHs with nonvanishing <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>χ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>eff</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>0.01</mml:mn> </mml:math> are dynamically assembled. Third, we estimate merger rates, finding <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi class="MJX-tex-calligraphic" mathvariant="script">R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BBH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>23.9</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>8.6</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>14.3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>Gpc</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mro