Beyond the far side: Observing black hole mergers beyond the pair-instability mass gap with next-generation gravitational wave detectors
Abstract: Stellar evolution predicts the existence of a mass gap for black hole remnants produced by pair-instability supernova dynamics, whose lower and upper edges are very uncertain. We study the possibility of constraining the location of the upper end of the pair-instability mass gap, which is believed to appear around ${m_\text{min}} \sim130M_\odot$, using gravitational wave observations of compact binary mergers with next-generation ground-based detectors. While high metallicity may not allow for the formation of first-generation black holes on the "far side" beyond the gap, metal-poor environments containing Population III stars could lead to such heavy black hole mergers. We show that, even in the presence of contamination from other merger channels, next-generation detectors will measure the location of the upper end of the mass gap with a relative precision close to $\Delta {m_\text{min}}/{m_\text{min}} \simeq 4\% (N_\text{det}/100 ){-1/2}$ at 90% C.L., where $N_\text{det} $ is the number of detected mergers with both members beyond the gap. These future observations could reduce current uncertainties in nuclear and astrophysical processes controlling the location of the gap.
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 9, 031040 (2019), arXiv:1811.12907 [astro-ph.HE] .
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 11, 021053 (2021a), arXiv:2010.14527 [gr-qc] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016), arXiv:1602.03837 [gr-qc] .
- W. A. Fowler and F. Hoyle, ApJS 9, 201 (1964).
- S. E. Woosley and A. Heger, Astrophys. J. Lett. 912, L31 (2021), arXiv:2103.07933 [astro-ph.SR] .
- G. Rakavy and G. Shaviv, ApJ 148, 803 (1967).
- A. Heger and S. E. Woosley, Astrophys. J. 567, 532 (2002), arXiv:astro-ph/0107037 .
- K. Belczynski et al., Astron. Astrophys. 594, A97 (2016), arXiv:1607.03116 [astro-ph.HE] .
- R. J. deBoer et al., Rev. Mod. Phys. 89, 035007 (2017), arXiv:1709.03144 [nucl-ex] .
- S. E. Woosley and A. Heger, ApJ 912, L31 (2021), arXiv:2103.07933 [astro-ph.SR] .
- Y. Shen et al., Astrophys. J. 945, 41 (2023).
- M. Fishbach and D. E. Holz, Astrophys. J. Lett. 904, L26 (2020), arXiv:2009.05472 [astro-ph.HE] .
- A. H. Nitz and C. D. Capano, Astrophys. J. Lett. 907, L9 (2021), arXiv:2010.12558 [astro-ph.HE] .
- T. A. Callister and W. M. Farr,  (2023), arXiv:2302.07289 [astro-ph.HE] .
- C. Talbot and E. Thrane, Astrophys. J. 856, 173 (2018), arXiv:1801.02699 [astro-ph.HE] .
- K. Belczynski, Astrophys. J. Lett. 905, L15 (2020), arXiv:2009.13526 [astro-ph.HE] .
- M. Spera and M. Mapelli, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 470, 4739 (2017), arXiv:1706.06109 [astro-ph.SR] .
- V. Bromm and R. B. Larson, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 42, 79 (2004), arXiv:astro-ph/0311019 .
- J. M. Ezquiaga and D. E. Holz, Astrophys. J. Lett. 909, L23 (2021), arXiv:2006.02211 [astro-ph.HE] .
- D. Gerosa and E. Berti, Phys. Rev. D 95, 124046 (2017), arXiv:1703.06223 [gr-qc] .
- D. Gerosa and M. Fishbach, Nature Astron. 5, 749 (2021), arXiv:2105.03439 [astro-ph.HE] .
- S. Clesse and J. GarcÃa-Bellido, Phys. Dark Univ. 15, 142 (2017), arXiv:1603.05234 [astro-ph.CO] .
- S. Clesse and J. Garcia-Bellido, Phys. Dark Univ. 38, 101111 (2022), arXiv:2007.06481 [astro-ph.CO] .
- B. Liu and V. Bromm, MNRAS 506, 5451 (2021), arXiv:2106.02244 [astro-ph.GA] .
- L. S. Finn, Phys. Rev. D 46, 5236 (1992), arXiv:gr-qc/9209010 .
- L. S. Finn and D. F. Chernoff, Phys. Rev. D 47, 2198 (1993), arXiv:gr-qc/9301003 .
- C. Cutler and E. E. Flanagan, Phys. Rev. D 49, 2658 (1994), arXiv:gr-qc/9402014 .
- E. Poisson and C. M. Will, Phys. Rev. D 52, 848 (1995), arXiv:gr-qc/9502040 .
- P. Ajith and S. Bose, Phys. Rev. D 79, 084032 (2009), arXiv:0901.4936 [gr-qc] .
- M. Vallisneri, Phys. Rev. D 77, 042001 (2008), arXiv:gr-qc/0703086 .
- S. Borhanian, Class. Quant. Grav. 38, 175014 (2021), arXiv:2010.15202 [gr-qc] .
- S. Borhanian and B. S. Sathyaprakash,  (2022), arXiv:2202.11048 [gr-qc] .
- M. Branchesi et al., JCAP 07, 068 (2023), arXiv:2303.15923 [gr-qc] .
- M. Maggiore, Gravitational Waves. Vol. 1: Theory and Experiments (Oxford University Press, 2007).
- N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
- S. E. Woosley, ApJ 836, 244 (2017), arXiv:1608.08939 [astro-ph.HE] .
- S. Ghodla and J. J. Eldridge,  (2023), arXiv:2312.10400 [astro-ph.HE] .
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 125, 101102 (2020), arXiv:2009.01075 [gr-qc] .
- M. Safarzadeh and Z. Haiman, Astrophys. J. Lett. 903, L21 (2020), arXiv:2009.09320 [astro-ph.HE] .
- J. D. Hunter, Comput. Sci. Eng. 9, 90 (2007).
- T. P. Robitaille et al. (Astropy), Astron. Astrophys. 558, A33 (2013), arXiv:1307.6212 [astro-ph.IM] .
- D. Gerosa and M. Vallisneri, The Journal of Open Source Software 2, 222 (2017).
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.