Connecting the Young Pulsars in Milky Way Globular Clusters with White Dwarf Mergers and the M81 Fast Radio Burst
本文提出银河系球状星团中的年轻脉冲星源于经历核坍缩星团中的白矮星并合，其自转减慢过程重现了观测特征，并推测其可能是M81快速射电暴的能源中子星后代。
2023-06-23 astro-ph.HE
On the Rate of Neutron Star Binary Mergers from Globular Clusters
中子星-中子星（NS-NS）并合双星GW 170817首次探测到引力波，以及对短伽马射线暴（SGRB）观测的不断增加，极大地推动了对NS-NS和中子星-黑洞（NS-BH）双星起源的研究。我们使用真实的GC模拟和\texttt{CMC}星表计算了来自球状星团的NS-NS和NS-BH双星的合并率。我们使用一个大样本的模型与一系列的初始数量的恒星，金属丰度，维里半径和galactocentric距离，代表当今的银河系GC，量化的inspiral时间和体积合并率作为红移的函数，无论是内部和从集群喷出。我们发现，在整个生命周期的大多数GC，恒星BH占主导地位的集群核心，并防止质量分离的NS，从而降低动力学相互作用率的NS，使最多有几个NS二进制合并产生。我们估计，在本地宇宙的合并率为$\sim\rm{0.02\,Gpc^{-3}\,yr^{-1}}$的NS-NS和NS-BH的双星，或总的$\sim 0.04$ ~Gpc $^{-3}$ ~年$^{-1}$的两个人口。这些比率比LIGO/Virgo目前的经验合并率低5个数量级。我们的结论是，在GC的动力学相互作用并没有发挥显着的作用，提高NS-NS和NS-BH合并率。
2019-12-07 astro-ph.HE
Gravitational Waves as a Probe of Globular Cluster Formation and Evolution
球状星团被认为是致密双星合并的温床。在本文中，我们演示了如何产生的引力波信号紧凑的对象合并可以作为球状团簇形成和演化的示踪剂。球状团簇形成是天体物理学中一个长期存在的谜团，有多种相互竞争的理论描述了球状星团何时以及如何形成。电磁望远镜有限的灵敏度限制了我们直接观测球状团簇形成的能力。然而，随着未来的音频波段探测器对类似GW 150914的信号的$z \approx 50$的红移敏感，引力波天文学将使我们能够探测第一个球状星团形成时的宇宙。我们从理论上激发的球状团簇形成模型中模拟了一个二元黑洞合并的种群，并构建了与第三代探测器预测精度一致的红移测量。我们发现，我们可以找到一个团簇形成时代的峰值时间在再电离到0.05 Gyr后一年的观测。与宇宙恒星形成速率一致的形成时期的峰值可以在一年的观测后测量到0.4Gyr-10.5Gyr，这取决于模型组件的相对权重。
2021-06-23 astro-ph.HE
Binary evolution, gravitational-wave mergers and explosive transients in multiple-populations gas-enriched globular-clusters
大多数球状星团（GC）都显示出多个恒星星族的证据，这表明存在着几个不同的恒星形成事件。观察到的大部分第二星族（2 P）恒星需要非常大的2 P气体质量在星团核心积累才能形成这些恒星。因此，星团核心的第一个恒星群体（1 P）必须嵌入2 P气体中，就在后来的群体形成之前。在这里，我们探讨了环境中的2 P气体介质的多人口GC的双星的演变。我们主要关注黑洞双星，并跟踪它们的演化，因为它们通过与周围气体的相互作用从宽双星向短周期演化，然后是引力波（GW）主导的螺旋和合并。我们表明，这种新的GW合并渠道可以提供一个重大贡献的GW源的生产。我们考虑各种假设和初始条件，并计算由此产生的气体介导的变化，人口的二进制和预期的合并率，由于气体催化的GW-吸气。对于合理的条件和假设，我们发现一个预期的GW合并率可观察到的aLIGO的顺序高达几十$\rm{Gpc^{-3} yr^{-1}}$，和我们的各种模型的整体范围$0.08-25.51 \ \rm{Gpc^{-3} yr^{-1}}$。最后，我们的研究结果表明，在早期阶段的GC的条件和二进制属性可能会受到严重影响的气体相互作用，并可能需要在目前的建模GC的演变进行重大修订。
2022-05-31 astro-ph.HE
Binary Black Hole Mergers from Globular Clusters: Implications for Advanced LIGO
预测的双黑洞从星系场合并的速度可以在几个数量级上变化，并且对恒星演化的假设非常敏感。但在球状星团等致密恒星环境中，二元黑洞通过众所周知的引力相互作用形成。在这封信中，我们研究了黑洞双星的形成，在广泛收集的现实球状星团模型。通过将这些模型与观测到的银河系和河外球状星团进行比较，我们发现动态形成的双星合并可以以每年约100的速度被检测到，这可能主导了双星黑洞合并的速度。我们还发现，大多数星团形成的双星比它们的场形成的双星质量更大，这表明先进的LIGO可以识别某些双星起源于致密的恒星环境。
2015-12-21 astro-ph.HE gr-qc
Can Neutron-Star Mergers Explain the r-process Enrichment in Globular Clusters?
在相当数量的老的、贫金属的球状星团中观测到了r过程元素的星-星色散。我们调查早期的中子星合并作为这种富集的机制。通过数值模拟和分析参数，我们表明，中子星合并不能通过动力学相互作用诱导早期的集群的历史，即使是最自由的假设中子星隔离。因此，如果中子星合并是球状星团中r过程弥散的主要机制，那么它们很可能是星团中孤立的原始双星演化的结果。通过人口建模，我们发现，只有当大量的双中子星祖星通过案例BB质量转移进行时，中等比例的富集GC才是可能的-在对球状星团初始性质的各种假设下，如果这种质量转移稳定地（不稳定地）进行，则在约15-60%（约30-90%）的球状星团中将发生具有浓缩潜力的中子星合并。由于超新星的质量损失，超新星爆发前的轨道分离和超新星爆发后的系统速度之间存在强烈的反相关性，这导致大多数浓缩候选物从其宿主星团中有效地喷射出来。因此，大多数浓缩事件发生在双中子星诞生后不久。这就要求在恒星形成的初始爆发后，在球状星团中存在能够吸收r过程喷出物的恒星形成气体。如果气体在球状星团中重新分布的情景不能在这些时间尺度上起作用，中子星合并富集候选者的数量就会严重下降，很可能是另一种机制在起作用，比如来自于中微子的r过程富集。
2019-11-13 astro-ph.GA astro-ph.HE
The Observed Rate of Binary Black Hole Mergers can be Entirely Explained by Globular Clusters
自2015年第一个信号以来，LIGO和Virgo合作（LVC）对合并双星黑洞（BBH）的引力波探测已经完全改变了我们对紧凑物体双星生命和死亡的理解，并激发了大量关于这些物体天体物理起源的理论工作。我们表明，Abbott等人（2020）的BBH的红移相关合并率的唯象拟合与这些物体的纯动力学起源一致，并且LVC中BBH的当前合并率可以完全用球状星团来解释。虽然这并不能证明，球状星团是占主导地位的形成渠道，我们强调，许多形成的情况下，可以贡献一个显着的部分，目前的LVC率，任何分析，假设一个单一的（或占主导地位的）机制，生产BBH合并隐含使用似是而非的天体物理先验。
2021-01-27 astro-ph.HE gr-qc
Shadows of the Colossus: Hierarchical Black Hole Mergers in a 10-million-body Globular Cluster Simulation
University of California, San Diego（加州大学圣迭戈分校）；Northwestern University（西北大学）
本研究通过1000万体模拟展示大规模球状星团中分层黑洞并合的可能性，产生质量达250个太阳质量的黑洞，为理解高质量黑洞形成提供新视角。
2026-02-09 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Prospects for Detecting Fast Radio Bursts in Globular Clusters of Nearby Galaxies
最近在M81的一个老的球状星团中探测到重复的快速射电暴（FRB），这挑战了传统的FRB形成机制，该机制基于最近在核心坍缩超新星中形成的年轻中子星的磁活动。此外，在这样一个邻近星系中检测到这种中继器意味着球状星团中类似事件的局部宇宙率很高。从M81 FRB推断的属性的基础上，我们预测的FRB源附近的（$d \lesssim 20\,$ Mpc）星系与已知的大型球状星团系统的数量。通过解释不确定的爆发能量分布，我们估计了在这些星系中通过射电仪器如FAST和MeerKat可检测到的爆发率。在所有的本星系中，我们发现M87是FRB探测的最佳候选星系。我们预测M87的球状星团系统目前包含$\mathcal{O}(10)$ FRB源，一个专门的无线电调查（由FAST或MeerKat）的$\mathcal{O}(10)\,$小时有$90\%$概率检测到一个球状星团FRB在M87。即使是少量的额外的球状星团FRB的检测将提供宝贵的限制FRB机制和人口属性。以前的研究已经证明，在动力学形成的大质量白矮星双星合并崩溃后形成的年轻中子星可能为这些爆发提供了最自然的机制。我们探讨白矮星合并的情况下，使用一套$N$体集群模型，特别是集中在这样的合并在M87集群。我们描述了一些突出的特点，这种情况下，在原则上可以测试与附近的球状星团观察到的FRB合奏。
2022-12-17 astro-ph.HE
The Effect of Distant Encounters on Black Hole Binaries in Globular Clusters: Systematic Increase of In-cluster Mergers in the LISA band
本文首次系统研究了距离弱相互作用对稠密星团中并合双黑洞动力学演化的影响。最近的研究表明，密集的星系团很可能对通过引力波（GW）观测到的BBH合并速率有很大的贡献，并且许多合并将出现在LISA和LIGO灵敏度波段中可测量的显著偏心率。这是非常有趣的，因为离心率可以用来区分不同的天体物理合并通道。然而，所有这些最近的研究都是基于各种蒙特卡罗（MC）技术，只包括强相互作用的动态演化的BBH，而任何二进制一般经历的数量级更多的弱相互作用比强。众所周知，弱相互作用主要导致双星偏心率的变化，这对于BBH意味着弱相互作用可以改变它们的GW螺旋时间，从而改变它们的合并概率。基于这种动机，我们进行MC模拟的BBH演变在密集的集群的影响下，弱和强相互作用。我们发现，包括弱相互作用导致一个显着增加的数目的BBH合并在其集群内，这相应地导致了更多的偏心LISA源。这些初步结果说明了包括弱相互作用的重要性，准确地模拟如何BBH合并在集群中，以及如何将其发射的GW信号与其天体物理环境。
2019-06-17 astro-ph.HE
Single-single gravitational-wave captures in globular clusters: Eccentric deci-Hertz sources observable by DECIGO and Tian-Qin
研究了球状星团中未束缚的单黑洞之间通过引力波辐射形成的双黑洞合并的形成率。虽然这些双星在非常密集的系统，如星系核中的形成已经得到了很好的研究，我们在这里表明，这个过程也可以在低密度恒星系统中运行，形成双星的速度类似于其他提出的创建偏心合并的途径。后牛顿集团动力学的最新进展表明，大部分动态组装的二元黑洞在弱和强的二元-单和二元-二元相互作用期间合并在其宿主集团内，并且这些系统在穿过LIGO和LISA灵敏度带时可能保留可测量的偏心率。使用的分析方法来建模的球状星团的二进制黑洞，我们表明，合并二进制的形成，从以前未绑定的黑洞可以以类似的速度合并形成在强二进制遇到，这些二进制居住的引力波频率空间，可以确定由建议的分赫兹空间为基础的探测器的一个独特的区域。
2020-06-07 astro-ph.HE
Black hole mergers from an evolving population of globular clusters
LIGO/Virgo探测到的黑洞（BH）合并率很高，这对它们的天体物理起源提出了疑问。一种可能性是动力学通道，其中二进制的形成和硬化催化动力学遇到球状星团（GC）。先前的研究表明，从目前宇宙中GC密度的BH合并率低于观测到的速率。在这个\textit{Letter}中，我们研究BH合并率占第一次为GC在其宿主星系的演变。GC中的质量最初是$\sim 8\times$较高的，由于蒸发和潮汐破坏而降低到其当前值。许多在合并前很久就被抛出的BH双星，起源于不再存在的GC。我们发现，在从红移$z=0.5$到$2$之间，来自GC的动力学通道中的共动合并率在$18$到$35\,{\rm Gpc}^{-3}\,{\rm yr}^{-1}$之间变化，总的合并率分别为每天在$z=0.5$、$1$和$2$内发生的$1$、$5$和$24$事件。相对于孤立的星系团，GC的宇宙演化和分裂系统地增加了现今的合并率$\sim 2$。引力波探测器网络提供了一个独特的观测探测的初始数量的GC人口和他们随后的演变在宇宙时间。
2018-10-09 astro-ph.GA astro-ph.HE
Evidence for a dual population of neutron star mergers from short Gamma-Ray Burst observations
短持续时间的伽马射线暴被认为起源于双星系统中中子星的合并。它们被检测为短暂的（$<$ 2秒），强烈的伽马射线辐射闪光，随后是较弱的，迅速减少的余辉。当它们的灵敏度足够低时，它们有望被先进的LIGO和Virgo探测到。在最近的一项研究中，我们发现了一群短伽马射线暴，它们本质上是微弱的，而且就在附近。在这里，我们提供的证据，有利于存在这种新的人口，很难复制与场中子星二元聚结模型。我们认为这些系统可能是球状星团中动态产生的，并且可能是黑洞和中子星合并的结果。先进的LIGO和Virgo观测到了与球状星团动力学形成相一致的高速率NSBH合并，这将证实这一假设，并将有助于推导出球状星团内黑洞的质量函数，以及微弱短伽玛暴的光度函数。
2016-06-09 astro-ph.HE
Merger rate of black hole binaries from globular clusters: theoretical error bars and comparison to gravitational wave data from GWTC-2
动态形成于球状星团中的黑洞双星被认为是宇宙中引力波的主要来源之一。在这里，我们使用我们的新的人口合成代码，cBHBd，以确定红移演化的合并率密度和质量的黑洞双星形成的球状星团。我们模拟$\sim 2$百万模型来探索与真实集群和所有质量尺度相关的参数空间。我们发现，当初始集群的质量函数和密度的不确定性被适当考虑，他们成为两个主导因素，在合并率的理论误差条设置。其他模型参数（例如，出生踢，黑洞质量，金属性）对局部合并率密度几乎没有影响，尽管它们影响合并黑洞的质量。将合并率密度作为红移的函数建模为$R(z)=R_0(1+z)^κ$在$z<2$，并边缘化不确定性，我们发现：$R_0=7.2^{+21.5}_{-5.5}{\rm Gpc^{-3}yr^{-1}}$和$κ=1.6^{+0.4}_{-0.6}$（$90\%$可信度）。速率参数的二进制合并内的集群是${R}_{\rm 0,in}=1.6^{+1.9}_{-1.0}{\rm Gpc^{-3}yr^{-1}}$和$κ_{\rm in}=2.3^{+1.3}_{-1.0}$ ; $\sim 20\%$这些形式的引力波捕获的结果，这意味着偏心合并从球状星团贡献$\lesssim 0.4 \rm Gpc^{-3}yr^{-1}$的本地率。与LIGO-Virgo报告的合并率的比较表明，大多数检测到的黑洞合并形成于球状星团中的情况与当前的限制是…
2020-11-07 astro-ph.HE gr-qc
Dynamical Formation Channels for Fast Radio Bursts in Globular Clusters
M81中一个球状星团的重复快速射电暴（FRB）对我们对FRB模型的理解提出了挑战。在这封信中，我们探讨了旧球状星团中可能为FRB提供动力的天体的动力学形成场景。使用N体模拟，我们表明，年轻的中子星可能会形成在球状星团的速度高达$\sim50\,\rm{Gpc}^{-3}\,\rm{yr}^{-1}$通过结合的二进制白矮星合并，白矮星-中子星合并，二进制中子星合并，吸积诱导的大质量白矮星在二进制系统的崩溃。我们考虑两种FRB发射机制：首先，我们表明，磁动力源（例如，具有场强$\gtrsim10^{14}\,$ G）的磁星对于无线电发射效率$\gtrsim10^{-4}$是可行的。这将需要磁活动寿命长于相关的自旋下降时间尺度，并长于银河系磁星的受限制寿命。或者，如果这些动态形成通道产生年轻的旋转供电的中子星与旋转周期的$\sim10\,$毫秒和磁场的$\sim10^{11}\,$ G（对应于自旋下降寿命的$\gtrsim10^5\,$年），推断的事件率和能量可以合理地再现秩序单位占空比。此外，我们表明，回收毫秒射电星或低质量X射线双星类似于那些在银河系球状星团中观察到的，也可能是合理的渠道，但只有当他们的占空比产生类似于M81 FRB的爆发是小的。
2021-08-03 astro-ph.HE
Binary Black Hole Mergers from Globular Clusters: Masses, Merger Rates, and the Impact of Stellar Evolution
最近发现的GW150914是由高级LIGO探测到的二元黑洞合并，有可能彻底改变观测天体物理学。但是，为了充分利用这个新的宇宙窗口，我们必须将这些新的观测结果与整个宇宙时间内二元黑洞形成的详细模型进行比较。在我们先前工作的基础上进行扩展（Rodriguez等人，2015），我们研究合并的双黑洞形成的球状星团使用我们的Monte Carlo方法恒星动力学。我们已经创建了一组新的52个集群模型，具有不同的质量，金属丰度和半径，以充分表征二元黑洞合并率。这些模型包括所有相关的动力学过程（如两体弛豫，强相遇，和三体双星形成），并同意与详细的直接N体模拟。此外，我们已经增强了我们的恒星演化算法与更新的金属性依赖的恒星风和超新星处方，使我们能够比较我们的结果直接到最近的人口合成预测合并率从孤立的二元演化。我们探讨了一个集群的整体属性和人口的二元黑洞，它产生之间的关系。特别地，我们导出了一个数值校准的关系，并推出的黑洞双星的合并时间和集群的质量和半径。我们探讨了这些二进制的质量和质量比作为红移的函数，并发现合并率约5 Gpc $^{-3}$年$^{-1}$在当地的宇宙，与80%的来源具有总质量从$32M_{\odot}$到$64M_{\odot}$。在标准的假设下，大约有一个每7个二进制黑洞合并在当地的宇宙将起源于一个球状星团，但我们也探讨了这一结果的敏感性不同的假设为二进制恒星演化。[删节]
2016-03-24 astro-ph.GA astro-ph.HE
Binary intermediate-mass black hole mergers in globular clusters
我们考虑了球状星团（GC）中二元中间黑洞（BIMBH）的形成，这种形成可能发生在原位，也可能由于星系团之间的合并而发生。我们模拟的BIMBH轨道的演变（及其随后的合并），由于恒星弹射。我们还考虑了由于主星系的潮汐场和两体弛豫的GC蒸发。我们的研究结果表明，如果至少$10^{-3}$的所有GC成为BIMBH主机和BIMBH的质量是$\sim1\%$的GC质量，至少有一个的吸气（或合并）BIMBH将被检测到LISA在其4年的任务寿命。大多数检测到的BIMBH来自1）重GC（$\gtrsim3\times10^5M_\odot$），因为低质量GC在它们的BIMBH有时间合并之前就被破坏了，2）来自红移$1<z<3$，假设大多数GC在$z\sim4$周围形成，并且大多数BIMBH的合并时标是$\sim1$ Gyr。如果BIMBH与GC的质量比较低（$\sim10^{-3}$），但BIMBH宿主在GC中的比例较高（$\gtrsim10^{-2}$），则它们的一些合并也将被LIGO，VIRGO和KAGRA以及拟议中的爱因斯坦望远镜探测到。
2020-09-14 astro-ph.GA astro-ph.HE
MOCCA-SURVEY Database I: Eccentric Black Hole Mergers During Binary-Single Interactions In Globular Clusters
我们估计人口的偏心引力波（GW）的双黑洞（BBH）合并过程中形成的双单相互作用在球状星团（GC），使用~ 800 GC模型，使用MOCCA代码演变的星团模拟的MOCCA调查数据库I项目的一部分。通过使用包括2.5后牛顿水平的GW发射的N体代码重新模拟从这组GC模型中提取的二元-单一相互作用（仅涉及3个BH），我们发现在我们的GC模型中组装的所有BBH中，约10%在混沌二元-单一相互作用期间合并形成，并且大约一半的样本在10 Hz时具有> 0.1的偏心率。我们明确地表明，这种衍生率偏心合并是100倍以上的一个会发现一个纯粹的牛顿N体代码。此外，我们表明，偏心分数可以准确地估计使用一个简单的分析形式主义时，相互作用的BH是类似的质量，作为第一个成功的分析描述偏心GW合并过程中形成的三体相互作用在现实GC的结果。
2018-01-27 astro-ph.GA astro-ph.HE
Formation of low-spinning 100 Msun black holes
据推测，两个大质量恒星起源黑洞在致密恒星环境中的合并可能导致在对不稳定质量隙（50-135 Msun）中形成大质量黑洞。这种合并形成的BH预期通常具有高自旋（a=0.7）。如果这样一个大质量的黑洞获得另一个黑洞，它可能会导致另一次合并，这是LIGO/Virgo在引力波中可以探测到的。获得伴星可能会受到引力波反冲/反冲的阻碍，这伴随着第一次合并，可能会迅速将大质量的BH从其母球状星团或核星团中移除。我们测试是否有可能为一个大规模的合并形成的BH的对不稳定的差距被保留在其母集群，并具有低自旋。这样的BH与原始BH是无法区分的。我们采用数值相对论计算的黑洞合并的结果，探讨合并BH质量和自旋的各种组合的引力波反冲速度的范围。我们比较了合并形成的大规模BH速度与典型的逃逸速度从球状星团和核。我们发现，一个球状星团是极不可能形成和保留一个100 Msun BH，如果BH的自旋是低的（a<0.3），因为这样的BH获得高反冲速度（>200 km/s），超过典型的逃逸速度从球状星团（50 km/s）。然而，一个非常低的旋转（a=0.1）和大质量（100 Msun）的BH可以形成并保留在银河系的核星团中。即使这种具有如此低自旋的大质量合并形成的BH在形成期间获得高速度（400 km/s），它们也可以避免喷射，因为大质量核团簇具有高逃逸速度（300-500 km/s）。因此，未来在低自旋的对不稳定性质量…
2020-08-23 astro-ph.HE
Eccentric binary black hole mergers in globular clusters hosting intermediate-mass black holes
球状星团（GC）的中心可能存在中等质量黑洞（IMBH）。在这些动态活跃的环境中，恒星质量的黑洞（SBH）在形成后不久就会下沉到中心，由于动力学摩擦，并开始与中心的IMBH相互作用。很可能，一些SBH将与IMBH形成结合系统。其中一小部分将是由二进制SBH和IMBH作为第三个遥远的扰动组成的三重系统。如果SBH双星轨道足够倾斜，它可以发展Lidov-Kozai（LK）振荡，这可以将系统驱动到高偏心率，并最终由于引力波（GW）在短时间尺度上的发射而合并。在这项工作中，我们专注于IMBH-SBH-SBH三元组的动力学，并说明这些系统可以是GWs的可能来源。这种情况的一个独特特征是，当进入LIGO波段（$10$ Hz）时，这些合并中有相当一部分是高度偏心的。假设GC的$\sim 20\%$是IMBH的宿主，并且GC密度在$n_{_{\rm GC}}=0.32$ - $2.31\,\mathrm{Mpc}^{-3}$范围内，我们估计了这些事件的速率$Γ=0.06$ - $0.46\,\mathrm{Gpc}^{-3}\,\mathrm{yr}^{-1}$。这表明，在这种情况下，动态驱动的二进制SBH合并可能有助于LIGO/VIRGO观察到的合并事件。完全$N$ -身体模拟的GC窝藏IMBH是非常可取的，以给出一个更精确的约束，这种情况下。
2019-07-20 astro-ph.GA astro-ph.HE
Evaluating the Merger Rate of Binary Black Holes from Direct Captures and Third-Body Soft Interactions Using the Milky Way Globular Clusters
在引力波中探测到的大量双黑洞合并重新引起了我们对可能成为这些合并摇篮的环境的兴趣。在这项工作中，我们研究合并率的双黑洞的球状星团，是最密集的恒星环境和自然的地方，创造的黑洞双星。为了模拟这些系统的所有变化，我们依赖于已知的银河系球状星团的观测特性。我们认为，直接捕获事件之间的黑洞，以及软相互作用的黑洞双星与恒星作为第三机构，加速这些双星的演化。我们发现，从直接捕获的双黑洞合并的平均速率为$0.3-5 \times 10^{-11}$年$^{-1}$每个集群。第三体软相互作用是一个更为突出的渠道，每个集群的平均速率为$2-4 \times 10^{-10}$/年$^{-1}$。在球状星团中，这些速率可以导致每年约100次合并的累积合并率，最高可达红移1，即在不久的将来的双星黑洞合并事件中可检测到的相当大的一部分。进一步观测星团的质量、轮廓特性、恒星的速度色散及其宇宙学分布，将使我们能够更好地约束这些环境对可检测的合并事件率的贡献。
2020-07-06 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Hierarchical binary black hole mergers in globular clusters: mass function and evolution with redshift
该研究探究球状星团演化对层级黑洞并合的影响，分析了黑洞配对函数不确定性的作用，明确了星团演化抑制第三代层级黑洞组装的机制，揭示了质量分布的红移演化规律，并通过自旋约束了球状星团与孤立双星系统双黑洞的混合比例。
2024-04-23 astro-ph.GA astro-ph.HE
Applying Cosmological Principle to Better Probe the Redshift Evolution of Binary Black Hole Merger Rate
引力波告诉我们观测信号产生的可能距离。当结合多个观测时，这些信息被用于合并率红移演化的建模。这是双星黑洞布居分析的一个重要方面，有望与宇宙的恒星形成历史或星团的动力学演化有着密切的联系。至少，它可以探测到恒星形成和残余物合并之间的时间延迟。然而，由于双星的倾角和光度距离之间的简并，测量的光度距离有很大的不确定性，限制了我们精确测量合并红移分布的能力。在这封信中，我们表明，通过施加宇宙学原理，有可能抑制这种不确定性，更好地区分不同的分布建模的红移演化的二进制黑洞合并率。此外，我们表明，通过与不施加这种压力的分析进行比较，我们可以探索宇宙学原理。
2020-12-16 astro-ph.HE
MOCCA SURVEY Database I: Binary Black Hole Mergers from Globular Clusters with Intermediate Mass Black Holes
由于引力波的作用，球状星团中黑洞双星的动力学形成在恒星密度较高的地方发生得更频繁。同时，形成中等质量黑洞（IMBHs）的概率也随着密度的增加而增加。为了探讨IMBH的形成和增长对来自球状星团的恒星质量黑洞双星布居的影响，我们分析了现有的大型Monte-Carlo球状星团模拟数据（MOCCA SURVEY Database I）。当IMBH质量不够大或IMBH种子形成较晚时，我们发现二元黑洞合并的数目与基于星系团初始性质的预测一致。然而，与预测相比，当现今IMBH质量比$\sim10^4 \rm M_{\odot}$更大或现今IMBH质量超过集群初始总质量的1%时，二元黑洞形成和随后的合并事件显着减少。通过考察系统中黑洞逃逸时刻的最大黑洞质量，我们发现在IMBH形成和增长之前，$\sim$ 90%的并合黑洞逃逸。此外，大部分恒星质量的黑洞被合并到IMBH或在大质量IMBH的情况下作为单个黑洞从球状星团中逃逸，这可能导致与引力波合并的二元黑洞的显着不足，取决于星团的初始分布。
2020-08-25 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
How Post-Newtonian Dynamics Shape the Distribution of Stationary Binary Black Hole LISA Sources in nearby Globular Clusters
我们推导出可观测的引力波（GW）的峰值频率（$f$）分布的二元黑洞（BBH），目前居住在其球状星团（GC），有和没有2.5后牛顿（2.5 PN）的影响，包括在动态演化的BBH。最近的牛顿研究报告说，在GC中，有相当数量的附近非合并BBH，即那些预计在合并前会发生进一步动力学相互作用的BBH，很可能被LISA观测到。然而，我们的2.5 PN计算表明，高于$\sim 10^{-3.5}$ Hz的非合并BBH群体的$\log f$的分布标度为$f^{-34/9}$，而不是牛顿情况下发现的$f^{-2/3}$标度。这导致大约两个数量级的减少，在预期数量的GW源在$\sim 10^{-3}$ Hz，这使我们得出结论，观察附近的BBH与LISA是不可能的，因为已经声称在最近的文献。事实上，我们的研究结果表明，LISA更有可能检测到在进一步相互作用之前将合并的BBH群体。有趣的是，这表明来自LIGO的BBH合并率可以用来预测附近LISA源的数量，以及提供对GC中形成的BBH合并比例的洞察。
2019-05-25 astro-ph.HE
Hierarchical Triples vs. Globular Clusters: Binary black hole merger eccentricity distributions compete and evolve with redshift
研究通过模拟发现，分层三体在低红移范围内主导偏心合并，挑战传统认为此类系统主要形成于密集环境的观点。
2025-11-04 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Kick matters: The impact of a new recoil model on the retention of hierarchical black-hole remnants in globular clusters
Weinberg Institute, University of Texas at Austin（韦恩伯格研究所，德克萨斯大学奥斯汀分校）；Department of Physics and Astronomy, Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学物理与天文系）
本文提出新的反冲模型gwModel_flow_prec，通过N体和半解析模拟显示其显著提高了球状星团中分层合并残骸的保留概率，并改变了黑洞的质量和自旋分布。
2026-03-10 astro-ph.HE gr-qc
Post-Newtonian Dynamics in Dense Star Clusters: Formation, Masses, and Merger Rates of Highly-Eccentric Black Hole Binaries
使用国家的最先进的球状星团的动力学模拟，包括辐射反应在黑洞遇到和团簇形成的宇宙学模型，我们创建一个现实的人口动态形成的二元黑洞合并跨越宇宙空间和时间。我们发现，在本地宇宙中，这些双星的10%的形式作为在混沌共振遇到的结果之间的引力波发射的未绑定的黑洞，这些事件中大约有一半的偏心率检测到目前的地面引力波探测器。发生在星系团内部的合并通常比许多Gyrs前从星系团中喷出的双星质量要小。从球状星团捕获的引力波对本宇宙双星合并速率的贡献为1-2 Gpc^-3 yr^-1，在z~3处增加到~10 Gpc^-3 yr^-1。最后，我们讨论了一些技术上的困难与后牛顿散射遇到，以及如何小心必须采取测量的二进制参数在动态捕获。
2018-11-15 astro-ph.HE
Mass and rate of hierarchical black hole mergers in young, globular and nuclear star clusters
分级合并是双黑洞形成的一个显著特征。在这里，我们提出了一个快速的半解析方法来模拟核星团（NSC），球状星团（GC）和年轻星团（YSC）的层次合并。由于逃逸速度的不同，神经干细胞中的层级合并比GC和YSC中的层级合并更常见。分级BBH的质量分布强烈地依赖于第一代BBH的性质，例如它们的祖先的金属丰度。在我们的基准模型中，我们在NSC中形成质量高达$\sim{}10^3$ M $_\odot$的黑洞（BH），在GC和YSC中形成质量高达$\sim{}10^2$ M $_\odot$的黑洞。当逃逸速度超过100 km~s $^{-1}$时，NSC中允许形成质量为$>10^3$ M $_\odot$的黑洞.等级合并导致的对不稳定的质量间隙和中等质量的黑洞的形成，但只在贫金属的环境。在我们的模型中，局部BBH合并率范围为$\sim{}10$至$\sim{} 60$ Gpc $^{-3}$ yr $^{-1}$ ;神经干细胞中的分级BBH占$\sim{}10^{-2}- 0.2$ Gpc $^{-3}$ yr $^{-1}$，具有$\sim{}10$ Gpc $^{-3}$ yr $^{-1}$的强上限。当我们的模型与第二个引力波瞬态目录比较时，我们发现多个形成通道有利于重现所观察到的BBH人口。
2021-09-12 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Joint constraints on the field-cluster mixing fraction, common envelope efficiency, and globular cluster radii from a population of binary hole mergers via deep learning
最近发布的第二个引力波瞬态目录（GWTC-2）大大增加了已知的GW事件的数量，使紧凑型双星的形成模型受到前所未有的限制。一个紧迫的问题是了解来自不同形成通道的双星的比例，例如孤立场形成与致密星团中的动力学形成。在本文中，我们结合$\texttt{COSMIC}$二进制人口合成套件和$\texttt{CMC}$代码的球状星团演化创建一个混合模型的黑洞二元形成的形成方案下。这是第一次，这些代码体自洽地结合在一起，$\texttt{CMC}$本身采用$\texttt{COSMIC}$来跟踪恒星演化。然后，我们使用深度学习增强的分层贝叶斯分析来约束地层模型之间的混合分数$f$，同时约束$\texttt{COSMIC}$中假设的共同包络效率$α$和$\texttt{CMC}$中假设的初始集群维里半径$r_v$。在对孤立双星和球状星团演化的其他不确定性方面的特定假设下，我们报告了三个物理参数$(f,α,r_v)=(0.20^{+0.32}_{-0.18},2.26^{+2.65}_{-1.84},2.71^{+0.83}_{-1.17})$的中位数和$90\%$置信区间。这同时约束同意观察到的银河系中的球状星团的属性，是一个重要的第一步，在学习天体物理学的紧凑的二元形成GW的观测。
2020-11-06 astro-ph.HE gr-qc
Second-Generation Mass Peak in the Gravitational-Wave Population as a Probe of Globular Clusters
University of Oxford（牛津大学）；Cardiff University（卡迪夫大学）；ICREA（加泰罗尼亚高级研究院）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；Institut d’Estudis Espacials de Catalunya（加泰罗尼亚空间研究所）
研究通过引力波观测揭示双黑洞并合的第二峰可能源于球状星团的动力学形成，探讨了第一代黑洞质量谱的截断对第二代并合的影响，提出第二峰的位置与星团初始条件相关，且能提供关于球状星团诞生特性的约束。
2026-04-30 astro-ph.GA astro-ph.HE
Gravitational Waves and Intermediate-mass Black Hole Retention in Globular Clusters
最近引力波的发现为物理学开辟了新的领域。目前和即将到来的任务，如LIGO，VIRGO，KAGRA和LISA，承诺揭示各种大小的黑洞，从恒星质量（SBH）大小到位于星系核中的超大质量黑洞。中等质量黑洞（IMBH）家族还没有被直接或间接地探测到。最近的分析表明，在两个银河系球状星团的中心存在IMBH的观测证据。在本文中，我们调查的可能性，球状星团出生的中央IMBH，它经历了重复的合并事件与SBH在集群的核心。本文用半解析方法研究了IMBH-SBH双星系统在银河势和引力波（GW）合并中的原初星系团布居的演化。我们的模型预测$\approx 1000$ IMBH在$1$ kpc从银河系中心。我们的研究结果表明，IMBH-SBH合并率密度从超过$z\approx 2$的$\mathcal{R}\approx 1000$ Gpc $^{-3}$ yr $^{-1}$变化到$z\approx 0$的$\mathcal{R}\approx 1-10$ Gpc $^{-3}$ yr $^{-1}$。如果年轻的大质量星团拥有IMBH，那么在低红移时的速率可能会明显更高。合并率主要由质量在$10^3$和$10^4\,\mathrm{M}_{\odot}$之间的IMBH决定。目前，在这个质量范围内，GW源没有LIGO/VIRGO上限，但我们的研究结果表明，在设计灵敏度下，这些仪器可能会在未来几年内检测到这…
2018-03-27 astro-ph.GA astro-ph.HE
Hierarchical black hole mergers in young, globular and nuclear star clusters: the effect of metallicity, spin and cluster properties
我们探讨层次黑洞（BH）合并在核星团（NSC），球状星团（GC）和年轻星团（YSC），占原始和动态组装的二进制黑洞（BBH）。我们发现，第一代和第n代动力学合并的中位质量是较大的GC和YSC相对于NSC，因为较轻的BH从较低质量的集群超新星踢弹出。此外，第一代和第n代黑洞的质量受到祖星金属丰度的强烈影响：在贫金属（富金属）的NSC中，第n代合并的初级黑洞的质量中值为$\sim{}24-38$ M $_\odot$（$\sim{}9-15$ M $_\odot$）。BH的最大质量主要取决于逃逸速度：在NSC中形成质量高达几千M $_\odot$的BH，而YSC和GC宿主质量高达几百M $_\odot$的BH。此外，我们计算的合并与至少一个组件中的对不稳定的质量间隙（$f_{\rm PI}$）和中等质量BH制度（$f_{\rm IMBH}$）的分数。在具有金属性$Z=0.002$的动力学BBH的基准模型中，我们分别在NSC、GC和YSC中发现了$f_{\rm PI}\approx{}0.05$、$0.02$和$0.007$（$f_{\rm IMBH}\approx{}0.01$、$0.002$和$0.001$）。$f_{\rm PI}$和$f_{\rm IMBH}$都在太阳金属丰度时下降至少一个数量级。最后，我们研究了GW190521的形成，假设它是一个几乎等质量的BBH或中间质量比i…
2021-05-06 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Compact object binary mergers driven by cluster tides: a new channel for LIGO/Virgo gravitational wave events
LIGO/Virgo探测到的双星黑洞（BH）和中子星（NS）合并产生的引力波激发了人们对双星起源的兴趣。致密的恒星系统-球状星团和核星团-是致密天体双星形成和向合并演化的天然场所。在这里，我们探索了一个新的渠道，在集群中的二进制合并的生产，在该集群的潮汐场secularly驱动器的二进制高偏心率（即使在没有一个中心的大质量黑洞），直到引力波发射变得重要。我们采用最近发展的长期理论的集群潮汐驱动的二进制演化计算目前的合并率BH-BH，NS-BH和NS-NS的二进制，不同的集群潜力和中心浓度的二进制人口（但忽略集群的演变和恒星飞越现在）。与其他机制不同的是，这种新的动态通道可以产生大量的合并到几个pc的集群中心距离。对于NS-NS双星，我们发现合并率的范围$0.01-0.07$ Gpc $^{-3}$ yr $^{-1}$从球状星团和$0.1-0.2$ Gpc $^{-3}$ yr $^{-1}$从尖形核集群。对于NS-BH和BH-BH双星，我们发现小的合并率从球状星团，但$0.1 - 0.2$ Gpc $^{-3}$年$^{-1}$的速率从尖核集群，有助于观察到的LIGO/室女座率在百分之几的水平。因此，集群潮汐驱动的合并构成了一个新的渠道，可以进一步探索与当前和未来的引力波探测器。
2019-08-16 astro-ph.GA astro-ph.HE
Imprints of the redshift evolution of double neutron star merger rate on the signal to noise ratio distribution
建议的第三代引力波（GW）干涉仪，如宇宙探测器，将有灵敏度观察双中子星（DNS）合并高达红移$\sim 5$与良好的信噪比。我们认为，共动的空间分布的DNS合并留下了独特的印记上的统计分布的信噪比（SNR）检测到的DNS合并。因此，DNS合并的SNR分布将有助于一个新的探针的红移演化独立的光度距离测量。我们考虑由第三代探测器Cosmic Explorer探测到的DNS合并，研究不同可能的红移演化模型的DNS的SNR分布，并采用Anderson Darling p值统计来证明这些不同模型之间的可互换性。我们发现，在宇宙探索者时代的几百个DNS合并将使我们能够区分不同的红移演化模型。
2020-04-27 astro-ph.HE gr-qc
Detecting coalescences of intermediate-mass black holes in globular clusters with the Einstein Telescope
我们讨论了第三代地基探测器，如爱因斯坦望远镜的能力，以检测合并的中等质量黑洞，可能已经形成通过失控的恒星碰撞在球状星团。我们发现，每年500起事件的检测率是合理的。
2010-03-12 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Post-Newtonian Dynamics in Dense Star Clusters: Highly-Eccentric, Highly-Spinning, and Repeated Binary Black Hole Mergers
我们提出了现实的球状星团模型与后牛顿动力学的黑洞。通过模拟孤立双星中的相对论加速度和引力波发射，以及在三体和四体相遇过程中，我们发现近一半的双星黑洞合并发生在星团内部，其中约10%的合并进入LIGO/Virgo带，偏心率大于0.1。星系团内的合并导致了第二代黑洞的诞生，这些黑洞具有更大的质量和高自旋，根据黑洞的出生自旋，有时可以保留在星系团中并再次合并。因此，无论大质量恒星形成的黑洞的诞生自旋如何，球状星团都可以产生具有可检测自旋的合并双星。这些第二代黑洞也会填充由对不稳定超新星产生的任何上部质量间隙。
2018-03-14 astro-ph.HE gr-qc
Does the Black Hole Merger Rate Evolve with Redshift?
我们探讨引力波探测器的能力，以提取红移分布的二元黑洞（BBH）合并。合并率在红移$0 < z \lesssim 1$的演变直接关系到形成和进化过程，提供洞察力的祖形成率以及形成和合并之间的时间延迟的分布。由于BBH被探测到的极限距离取决于双星的质量，因此被探测到的双星的红移分布取决于它们的质量分布。因此，我们同时考虑质量和红移分布，并拟合合并率密度，${dN}/{dm_1\,dm_2\,dz}$。我们对质量分布的限制与以前发表的结果一致，包括在$\sim 40 \ M_\odot$的上限质量截止的证据。此外，我们表明，目前的一组六个BBH检测是一致的合并率密度是均匀的共动量。虽然我们对红移分布的限制还不足以区分BBH形成通道，我们表明，它将有可能区分不同的天体物理动机的合并率演化模型与$\sim 100$- $300$ LIGO室女座探测（预计在2- 5年）。具体来说，我们将能够推断形成速率的峰值是否高于或低于恒星形成速率的红移，或者形成和合并之间的典型时间延迟。同时，通过$\sim 100$探测，推断出的红移分布将对更奇异的情况（如修正引力）产生约束。
2018-08-22 astro-ph.HE gr-qc
Eccentric black hole mergers via three-body interactions in young, globular, and nuclear star clusters
本研究通过大规模N体模拟，揭示了年轻、球状和核星团中三体相互作用产生偏心黑洞并合的机制，发现约0.6%-1.6%的并合具有高偏心率，且环境显著影响黑洞保留率。
2024-03-18 astro-ph.HE astro-ph.SR gr-qc
Compact Binaries Ejected from Globular Clusters as GW Sources
执行N体模拟，我们研究的动力学BH-BH（10 Msun每个）和NS-NS（1.4 Msun每个）的二进制文件中形成的集群和它的影响引力波检测。相当一部分致密双星是在核心坍缩后从球状星团中喷射出来的。在被抛出的致密物体总数中，30%是双星。抛射双星的合并时间尺度取决于星团的速度色散，在某些情况下比宇宙的年龄还要短。在合并过程中，这些动态形成的紧凑合并预计将产生引力波，可以被先进的地面干涉仪检测到。根据我们的参考假设，每个球状星团的BH-BH和NS-NS双星的合并率分别为2.5和0.27个/Gyr。假设球状星团的空间密度为8.4 h^3星团Mpc^-3，并将合并率估计值外推到先进的LIGO-Virgo网络的视界距离上，我们预计具有星团起源的BH-BH和NS-NS双星的探测率分别为15和0.024 yr^-1。我们发现，一些动态形成的双星弹出一个大的逃逸速度。它们可能是远离宿主星系的短伽马射线暴的原因。
2014-02-26 astro-ph.HE astro-ph.SR gr-qc
The origin of an extended X-ray emission apparently associated with the globular cluster 47 Tucanae
利用朱雀X射线成像光谱仪，我们对一个扩展的X射线辐射进行了130 k s的观测，ROSAT和Chandra的观测结果表明，该辐射与球状星团47 Tuccino有关。得到的$0.5-6$ keV谱成功地与红移的薄热等离子体发射模型进行了拟合，该模型的温度和红移分别为$2.2^{+0.2}_{-0.3} $ keV（在静止坐标系）和$0.34\pm0.02$。导出的参数，包括温度，红移和光度，表明扩展的X射线源是一个背景星系团，它的投影位置落在，偶然的，在自行的方向上47图格里克。
2009-06-19 astro-ph.GA astro-ph.HE
Shouts and Murmurs: Combining Individual Gravitational-Wave Sources with the Stochastic Background to Measure the History of Binary Black Hole Mergers
引力波天文学的目标之一是量化紧凑双星合并率随红移的演化。黑洞并合的红移分布可以提供大量有关其演化历史的信息，包括它们的祖先形成速率、黑洞形成对恒星金属丰度的依赖性以及形成与并合之间的时间延迟分布。然而，测量双星红移分布的努力目前受到现有仪器的探测范围的限制，这些仪器只能单独分辨出$z\lesssim1$之外的紧凑双星合并事件。我们提出了一种新的策略，与测量的红移分布的二元黑洞合并远远超出了目前的仪器的检测范围。通过综合直接探测单个分辨的合并与\textit{indirect}搜索由于未分辨的遥远源而产生的随机引力波背景，我们可以收集关于峰值红移$z_p$的信息，在该峰值红移处，即使当该红移超出探测视界时，双黑洞合并率也达到最大值。使用先进的LIGO和处女座的第一次和第二次观测运行的数据，我们采用这种策略，把联合约束$z_p$和斜率$α$的二进制合并率增加在低红移，排除合并率的增长速度比$α\gtrsim 7$和峰值超过$z_p \gtrsim 1.5$。展望未来，我们预计，大约一年的观察与设计敏感性先进LIGO将进一步打破剩余的简并，使直接测量的峰值红移的二元黑洞合并的历史。
2020-05-25 astro-ph.HE gr-qc
Coalescing black hole binaries from globular clusters: mass distributions and comparison to gravitational wave data from GWTC-3
本文利用星团族群模型 cBHBd 研究球状星团中动力学形成的并合黑洞双星质量分布，发现其难以解释 GWTC-3 推断的 10 倍太阳质量主峰，但可解释 35 倍太阳质量次级峰及高质量端分布，并给出星团密度和黑洞自旋等约束条件。
2023-03-29 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
High-Redshift Merger Model for Low-Frequency Gravitational Wave Background
针对PTA探测到的GWB强度异常，提出纳入早期大质量高红移星系的“早期并合”模型，预测首个可探测单源有约30%概率为高红移大质量快速演化双星，为星系与SMBH演化提供新见解。
2024-08-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Maximum redshift of gravitational wave merger events
下一代的引力波探测器将具有探测红移的引力波事件的灵敏度，远远超过任何可探测的电磁源。我们证明了如果观测到的事件率大于一个事件，每年在红移z > 40，那么原始密度波动的概率分布必须是显着的非高斯或事件起源于原始黑洞。超额事件的性质可以从合并率的红移分布中确定。
2017-10-30 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Mass and star formation rate of the host galaxies of compact binary mergers across cosmic time
我们调查的紧凑的双合并跨宇宙时间的宿主星系的属性，人口合成模拟结合从EAGLE套件的星系星表。我们分析了从红移0到红移6的中子星双星、黑洞-中子星双星和黑洞双星的合并率。在这里考虑的任何红移下，每个星系的双星合并率与宿主星系的恒星质量密切相关。BNS的这种相关性明显比BHNS和BBH的相关性更陡。此外，我们发现每个星系的合并率也依赖于宿主星系的恒星形成率和金属丰度。我们推导出一个稳健的拟合公式，该公式将每个星系的合并率与星系的恒星形成率、恒星质量和金属丰度在不同的红移。主星系的典型质量随着红移的减小而显著增加，这是致密双星的延迟时间分布和星系的宇宙组装之间相互作用的结果。最后，我们研究了合并率密度随红移的演化。在低红移（$z\leq{}0.1$）时，早型星系对合并速率密度的贡献大于晚型星系。这种趋势在$z\ge{}1$中逆转。
2019-10-10 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
