Published November 11, 2025 | Version v1
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Beyond General Relativity: Toward a Universal Rule for Compact Object Coalescences

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The detection of gravitational waves by LIGO–Virgo–KAGRA has profoundly reshaped compact-object astrophysics. Yet our description of binary mergers remains fragmented: black hole–black hole (BBH) systems are well characterized by a final mass M_f, whereas neutron star–black hole (NSBH) and binary neutron star (BNS) systems often fall outside this frame because of ejecta, electromagnetic emission, or the absence of an immediate final black hole. In this work, we propose a universal law that unifies these three merger families.

Our approach begins with a sinusoidal law fitted to 87 BBH events (GWTC-1/2/3), which predicts the mass-loss fraction epsilon with better than 1% accuracy in these systems. Recognizing the limits of this description for NSBH and BNS, we introduce the notion of an equivalent mass M_eq, built on an observable score D^ that aggregates the different energy channels (gravitational waves, light, ejecta) and is corrected by a mass-symmetry factor. Calibrated on the reference event GW150914, this framework yields an equivalent loss epsilon_eq that proves both robust and universal.

Analysis of emblematic cases (GW150914, GW200115, GW170817, GW190425) reveals three characteristic plateaus:

  • ≈2 % for fast, “quiet” mergers (direct-swallow NSBH, BNS without electromagnetic emission),
  • ≈5 %for typical BBH and NSBH,
  • ≈7-8 %for BNS rich in channels (light, ejecta).

This law provides a unifying, operational framework, complementary to General Relativity, enabling a simple and coherent interpretation of multi-messenger observations. It opens the way to a universal classification of compact mergers and can be tested and refined with the upcoming O4 and O5 observing runs.

Abstract (French)

La détection des ondes gravitationnelles par LIGO-Virgo-KAGRA a profondément transformé l’astrophysique des objets compacts. Toutefois, la description des fusions binaires reste fragmentée : les systèmes trou noir-trou noir (BBH) sont bien caractérisés par une masse finale M_f tandis que les systèmes mixtes trou noir-étoile à neutrons (NSBH) et les binaires d’étoiles à neutrons (BNS) échappent souvent à ce cadre, du fait d’éjecta, d’émissions électromagnétiques ou de l’absence immédiate d’un trou noir final. Dans ce travail, nous proposons une loi universelle permettant d’unifier ces trois familles de fusions.

Notre démarche repose d’abord sur une loi sinusoïdale ajustée sur 87 événements BBH (GWTC-1/2/3), qui prédit avec une précision inférieure à 1 % la fraction de masse perdue (epsilon) dans ces systèmes. Constatant les limites de cette approche pour les NSBH et BNS, nous avons introduit la notion de masse équivalente M_eq fondée sur un score observable D^ intégrant les différents canaux énergétiques (ondes gravitationnelles, lumière, éjecta) et corrigé par un facteur de symétrie des masses. Calibrée sur l’événement de référence GW150914, cette loi aboutit à une perte équivalente epsilon_eq qui se révèle robuste et universelle.

L’analyse de cas emblématiques (GW150914, GW200115, GW170817, GW190425) fait émerger trois plateaux caractéristiques :

  • ≈2 % pour les fusions rapides et discrètes (NSBH à avalement direct, BNS sans émission électromagnétique),
  • ≈5 % pour les BBH et NSBH typiques,
  • ≈7–8 % pour les BNS riches en canaux (lumière, éjecta).

Cette loi fournit un cadre unificateur et opérationnel, complémentaire à la Relativité Générale, qui permet d’interpréter les observations multi-messagers de manière simple et cohérente. Elle ouvre la voie à une classification universelle des fusions compactes et pourra être testée et affinée avec les prochaines campagnes O4 et O5.

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Created
2025-11-11