LIGO-Virgo-KAGRA's Oldest Black Holes: Probing star formation at cosmic noon with GWTC-3
利用 GWTC-3 中约 70 个双黑洞并合事件及预测的延迟时间分布，推断其形成红移与前身星形成率，发现至少一个系统形成于红移大于 4.4，并以此探测高红移恒星形成与宇宙金属丰度演化。
2023-10-18 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Testing mirror symmetry in the Universe with LIGO-Virgo black-hole mergers
本研究利用LIGO-Virgo黑洞并合数据，通过Chern-Pontryagin赝标量观测净圆偏振，检验宇宙镜面对称性，发现至少82%的源产生净圆偏振，GW200129以93.1%概率显示镜面不对称，暗示量子效应可自发发射圆偏振光子。
2024-12-17 astro-ph.HE gr-qc
Progenitors of binary black hole mergers detected by LIGO
简要讨论了在LIGO O1科学运行期间探测到的大质量近距离双星黑洞的可能形成机制，这些黑洞可以在哈勃时间合并产生强大的引力波爆发。这些途径包括从低金属丰度大质量双星演化、球状星团的动力学形成和原始黑洞。讨论了LIGO GW 150914和LTV 151012事件的低有效黑洞自旋。人口合成计算的预期自旋和啁啾质量分布的标准场大规模的二进制形成通道不同的金属丰度（从零金属人口III星太阳金属丰度）。我们的结论是，合并的双黑洞可以包含来自不同的形成渠道，歧视之间的质量和自旋测量正在进行的和未来的引力波观测统计数据的增加，可以作出。
2017-02-26 astro-ph.HE
Metallicity dependence of black hole main sequence binaries detectable with Gaia
LIGO已经探测到了来自大质量双黑洞合并的引力波。为了解释这种巨大的恒星质量的黑洞的起源，极端贫金属恒星，包括第一恒星已被调用。然而，黑洞并不携带金属丰度的信息。为了检验黑洞形成的金属丰度依赖性，我们重点研究了银河系黑洞-主序星双星。利用二元布居合成方法，我们发现$\gaia$可以检测金属丰度为$\zsun$的$\sim200-400$ BH-MS和金属丰度为$0.1\zsun$的$\sim70-400$ BH-MS。利用4米级望远镜的光谱观测，我们可以检验BH MS的金属丰度。黑洞形成的金属丰度依赖性可以通过天体测量和光谱观测来检验。
2020-06-16 astro-ph.HE astro-ph.SR
Modelling the formation of the first two neutron star-black hole mergers, GW200105 and GW200115: metallicity, chirp masses and merger remnant spins
这两颗中子星-黑洞合并（GW 200105和GW 200115）是由先进的LIGO和Virgo在引力波中观测到的，标志着自然界中首次发现此类双星。我们利用粒子数合成网格模型，通过孤立双星演化研究了这两个中子星-黑洞系统。利用双星的质量和自旋观测（啁啾质量、有效自旋和剩余自旋），我们探讨了它们在不同金属丰度环境中不同的可能形成通道。我们的模型仅在假设黑洞不旋转时支持LIGO数据。我们的研究结果表明，强烈的偏好，GW 200105和GW 200115形成的恒星与亚太阳金属丰度$Z\lesssim 0.005$。只有两个富金属（$Z=0.02$）模型与GW 200115一致。我们还发现，啁啾质量和剩余自旋共同帮助约束模型，而有效的自旋参数不添加任何进一步的信息。我们还提出了可观察到的（即后选择效应）的中位数值的自旋和质量分布从我们的所有模型，这可能会被用作参考，为未来的合并。此外，我们发现剩余自旋参数分布在不同的中子星-黑洞子群体中表现出不同的特征。我们发现，非旋转的，第一个出生的黑洞占主导地位的合并显着的中子星-黑洞人口，确保电磁同行这样的合并是罕见的事情。
2022-05-05 astro-ph.HE astro-ph.SR gr-qc
Implications of the low binary black hole aligned spins observed by LIGO
我们探讨了在Advanced~LIGO~O1运行在双黑洞（BBH）~合并场景中观察到的低自旋与轨道轴对齐的含义，其中合并的BBH是从场双星演化而来的。聚并时间决定了BBH的初始轨道分离。这反过来又决定了恒星在坍缩之前是否同步，从而决定了它们的投影自旋。短的聚结时间意味着同步和大的自旋。在已知的恒星天体中，Wolf-Rayet~（WR）星似乎是唯一与LIGO~O1观测到的低排列自旋一致的祖先，前提是轨道轴在坍缩期间保持其方向。计算了局域宇宙中BBH并合的自旋分布和WR前身核的红移演化。假设BBH的形成率峰值附近的红移$\sim 2\,$-$\,3$，我们表明，BBH合并在本地宇宙中占主导地位的低自旋事件。在红移为$\sim0.5\,$-$\,1.5$时，高自旋粒子数开始占优势。WR星也是长伽玛射线暴（LGRB）的祖先，其发生速率与BBH合并相当。我们讨论这两种现象之间的可能联系。此外，我们还证明了假设的星族~III恒星祖先也是可能的。虽然WR和Population~III的祖先与目前的数据是一致的，这两个模型预测的高对齐自旋BBH合并的非零分数。如果在即将到来的LIGO/Virgo运行中没有检测到这些，那么观察到的BBH不太可能通过现场双星形成。
2017-04-19 astro-ph.HE astro-ph.SR gr-qc
BPASS predictions for Binary Black-Hole Mergers
利用双星布居和光谱合成程序BPASS，我们计算了双星黑洞合并的速率、时标和质量分布随金属丰度的变化。我们认为这些在最近报道的第一个LIGO事件检测的背景下。我们发现，该事件发生在初始金属丰度质量分数大于Z=0.010（Z>0.5Zsun）的恒星星族中的概率很低。具有所报道质量的双黑洞合并事件最有可能发生在小于0.008（Z<0.4Zsun）的群体中。这类事件可以发生在所有恒星星族年龄从~ 300万年到宇宙年龄，但只占0.1%至0.4%的二进制BH合并之间的金属丰度Z=0.001至0.008。然而，在金属丰度Z=0.0001，26%的二进制BH合并预计将有报告的质量。在这个金属丰度下，前身星的合并时间可以接近~ 10 Gyr，并且由于双星中的质量转移，通过准均匀演化演化的旋转混合星占主导地位。在GW\，150914的双星祖先中，推断出的黑洞的质量是我们模型中除了最低金属丰度之外的最大质量。我们讨论了我们的分析对未来LIGO事件探测的电磁后续行动的影响。
2016-07-19 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Limits of Astrophysics with Gravitational-Wave Backgrounds
最近的高级LIGO对双星黑洞GW 150914的引力波的探测表明，宇宙中存在着大量的并合双星黑洞。虽然大多数距离太远，无法被先进的探测器单独分辨，但来自许多无法分辨的双星的引力波的叠加预计将创造一个天体物理随机背景。LIGO和Virgo合作的最新结果表明，这种天体物理背景是高级LIGO可以达到的。原则上，双星黑洞背景编码了有趣的天体物理性质，例如遥远双星的质量分布和红移分布。然而，我们表明，这些信息将难以提取与先进的探测器的当前配置（并使用当前的数据分析工具）。此外，双黑洞背景也构成了一个前景，限制了先进探测器观察其他有趣的随机背景信号的能力，例如来自宇宙弦或早期宇宙中的相变。我们量化了这种影响。
2016-08-15 astro-ph.HE gr-qc
LIGO tells us LINERs are not optically thick RIAFs
低电离发射线区（LINER）是本宇宙中最多可达$1/3$的星系核的异质集合。目前还不清楚LINER是否仅仅是超大质量黑洞的低吸积率的结果，或者它们是否包括大量光学厚辐射效率低但超级爱丁顿吸积流（RIAF）。光学厚的RIAF通常是大尺度高度或准球形气流的盘。这些黑洞的密度应该足以捕获并合并大量恒星质量的黑洞，我们预计这些黑洞存在于星系核中。电磁观测吸积流光球不允许我们打破模型退化。然而，引力波观测探测吸积流的内部，在那里恒星质量的黑洞的合并可以大大加速超过场速率。在这里，我们表明，LIGO观测到的黑洞合并率的上限表明，大多数LINER不能光学厚RIAF。
2019-07-10 astro-ph.GA astro-ph.HE
X-Ray Luminous Binaries, Metallicity, and the Early Universe
高质量X射线双星（HMXB）可能对早期宇宙中星系际介质的加热产生了重大影响。研究附近的低金属丰度星系中的HMXB可以帮助我们了解早期的HMXB。HMXB种群的总光度主要由高光度的源决定。这些来源表现出X射线光谱，显示曲率超过2千电子伏，这可能是真实的高红移的HMXB人口。光谱曲率以减弱对从软X射线背景获得的早期HMXB的X射线发射的约束的方式改变了对来自HMXB的X射线的K校正。应用于恒星形成星系的深X射线调查，修改后的K-校正表明，在中等红移，z=3-5的X射线光度与恒星形成率的比率适度增加，并与高红移，z=6-7的大增强相一致。
2014-02-06 astro-ph.HE
Multiband Observation of LIGO/Virgo Binary Black Hole Mergers in the Gravitational-wave Transient Catalog GWTC-1
先进的LIGO和Virgo探测器开启了研究宇宙中黑洞（BH）的新时代。一群恒星质量的双星BH（BBH）被发现比以前预期的要重。这些重型BBH为我们提供了一个机会，实现多波段观测与地基和天基引力波（GW）探测器。在这项工作中，我们使用的BBH发现的LIGO/Virgo合作作为不容置疑的例子，并详细研究了在不久的将来与GW探测器的多波段观测的前景。我们将Fisher矩阵应用于旋转，非旋进的吸气合并振铃波形，同时充分考虑天基GW探测器的运动。我们的分析表明，探测器的分赫兹灵敏度有望记录恒星质量的BBH信号具有非常大的信噪比，并提供准确的参数估计，包括天空的位置和时间合并。此外，多个探测器的组合将实现对BBH性质的前所未有的测量。作为一个明确的例子，我们提出了多波段的敏感性，一般偶极辐射的黑洞，这是非常重要的等效原理的基础上的引力，特别是那些理论预测曲率诱导标量化的黑洞。
2020-05-27 astro-ph.HE gr-qc
Red vs. Blue: How metallicity shapes black hole dynamics and mergers in dense star clusters
University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；Adler Planetarium（阿德勒天文馆）；Northwestern University（西北大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
通过蒙特卡罗模拟研究金属丰度对致密星团中黑洞质量函数、并合率及延迟时间分布的影响，发现高金属丰度星团可产生与GW241011和GW241110一致的低质量层级并合事件。
2026-06-24 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Advanced LIGO Constraints on Neutron Star Mergers and R-Process Sites
通过结合银河系中Eu的恒星丰度观测、星系化学演化（GCE）模拟、双星布居合成模型和高级LIGO引力波测量，研究了致密双星合并作为r过程元素主要产生场所的作用.我们汇编并回顾了最近的七个GCE研究，以提取中子星-中子星（NS-NS）合并的频率，这是为了重现所观察到的[Eu/Fe]与[Fe/H]的关系。我们使用我们简单的化学演化代码来探索不同的分析延迟时间分布（DTD）函数对NS-NS合并的影响。然后，我们结合我们的金属依赖的人口合成模型与我们的化学演化代码，使他们的预测，为NS-NS合并和黑洞-中子星合并，到GCE的背景下。最后，我们将我们的结果与宇宙恒星形成历史进行了卷积，以提供与当前和即将到来的高级LIGO测量的直接比较。当假设NS-NS合并是唯一的r-过程站点，并且每个合并事件的喷射r-过程质量为0.01 Msun时，GCE研究中所需的NS-NS合并的数量比标准人口合成模型预测的大约大10倍。这两个不同的领域只能是相互一致的，当假设乐观的利率，大规模的NS-NS合并喷出物，和低铁产量的大质量恒星。粒子数合成模型和GCE模拟与Advanced LIGO在第一次观测中建立的上限（O 1）一致。即将到来的测量将提供重要的限制实际本地NS-NS合并率，将提供洞察力的GCE要求的可扩展性，并将有助于定义是否紧凑的二进制合并可以在宇宙中的r-过程元素的主要来源。
2017-02-12 astro-ph.GA astro-ph.HE
Prospects for detecting gravitational waves from eccentric subsolar mass compact binaries
由于它们的小质量，太阳下质量的黑洞双星必须是原始的起源，而不是恒星演化的结果。在早期宇宙形成后不久，原始黑洞就可以在与宇宙膨胀脱钩后形成双星。或者，原始的黑洞作为暗物质也可以在宇宙晚期由于动力学相遇和引力波制动而形成双星。这个通道的一个重要特征是，一些源在LIGO/Virgo波段保持非零偏心率的可能性。假设所有的暗物质都是具有δ函数质量分布的原始黑洞，在这个宇宙后期通道中形成的$1M_\odot-1M_\odot$二进制可以被高级LIGO和Virgo检测到，其设计灵敏度为$\mathcal{O}(1)$/年，其中$12\%(3\%)$事件的偏心率为10 Hz，$e^\mathrm{10Hz}\geq0.01(0.1)$，并且未检测到可以限制该模型内的二进制形成率。第三代探测器将有望在这个通道内探测到像$0.01 M_\odot$一样轻的太阳下质量偏心双星，如果它们占了暗物质的大部分。此外，我们使用模拟的引力波数据来研究使用具有高级LIGO设计灵敏度的准圆形波形模板库搜索偏心引力波信号的能力。对于匹配滤波目标搜索，假设双星的δ函数质量为$0.1(1)M_\odot$，并且偏心率分布来自这个宇宙后期形成通道，由于偏心率导致引力波信号的失配，与理想检测率相比，信号的$41\%(6\%)$将被错过。
2021-05-27 astro-ph.HE gr-qc
Multi-Messenger Windows on the Universe: detecting precursor emission to compacts' mergers
该研究概述致密天体并合前驱辐射的机制与功率，指出相干射电辐射是最佳探测目标，低频相控阵望远镜最具探测优势，同时分析了不同波段的探测难度与时间特征。
2025-05-16 astro-ph.HE
Comparison of LIGO/Virgo upper limits with predicted compact binary merger rates
我们比较了目前的LIGO/室女座双紧凑物体体积合并率的上限与我们的理论预测。我们的乐观模型比总质量为50-70 Msun的大质量BH-BH系统的现有上限低3倍，这表明观测灵敏度的小幅增加可能会带来第一次探测。LIGO/Virgo引力波观测站目前正在升级到先进的设计灵敏度。如果检测到相当大的BH-BH双星群体，这个群体的最大总双星质量将区分两个一般家庭的共同包络模型。如果没有检测到双星，新的上限将提供有关环境和物理过程的天体物理学有用信息（例如，主星系的金属丰度或BH出生踢）对包含黑洞的双星的形成至关重要。对于NS-NS系统，我们预测的速率比当前上限低3个数量级;即使先进仪器达到其设计灵敏度（距离因子为10倍，体积因子为1，000倍），也不能保证检测到NS-NS系统。然而，我们注意到，尽管我们预测的NS-NS合并率与来自银河系NS-NS双星和短GRB的估计一致，但它们处于这些经验估计的偏低。
2014-01-22 astro-ph.HE
Merger rate density of stellar-mass binary black holes from young massive clusters, open clusters, and isolated binaries: comparisons with LIGO-Virgo-KAGRA results
我调查的作用，集群动力学和大规模的二进制演化产生恒星遗迹二黑洞（BBH）合并在宇宙时间。为此，动态BBH合并是从$\sim10^4M_\odot$的长期直接N体演化模型中获得的，即pc尺度的年轻大质量星系团（YMC）演化为中等质量的疏散星团（OC）。大质量孤立双星（IB）的快速演化模型从双星演化中产生BBH。然后在模型宇宙中进行人口合成，考虑到观测到的宇宙恒星形成和富集的历史，以获得BBH合并收益率从这两个渠道可观察到在目前的一天，在宇宙时间。合并BBH人口从两个渠道相结合，通过应用贝叶斯回归链的概念验证，考虑到观察到的差异内在BBH合并率密度从第二引力波瞬态目录（GWTC-2）。分析估计的OB星的二进制部分$f_{\rm Obin}\gtrsim90$ %和YMC形成效率的$f_{\rm YMC}\sim10^{-2}$，与最近的光学观测和大尺度结构形成模拟一致。相应的组合模型宇宙的现今、微分内禀BBH合并率密度和BBH合并率密度的宇宙演化都与GWTC-2的结果符合得很好。分析还表明，尽管显着的“动力学混合”在低红移，BBH合并在高红移（$z_{\rm event}\gtrsim1$）仍然可以主要由二进制演化物理。在目前的方法和未来的改进的警告进行了讨论。
2021-12-04 astro-ph.GA astro-ph.HE
Mapping the star formation peak with LIGO A# and Next-Generation detectors
Gravity Exploration Institute, School of Physics and Astronomy, Cardiff University（卡迪夫大学物理与天文学学院重力探索研究所）
通过分析双黑洞并合的红移分布，使用LIGO A#和下一代探测器约束恒星形成率密度的峰值，精度分别达到±0.1和±0.02。
2026-06-03 astro-ph.HE gr-qc
Has LIGO Detected Primordial Black Hole Dark Matter? -- Tidal Disruption in Binary Black Hole Formation
激光干涉引力波天文台（LIGO）频繁探测到$\sim 30 M_{\odot}$黑洞（BH）的二元合并，重新点燃了研究人员对原始黑洞（PBH）是暗物质（DM）的兴趣。在这项工作中，我们着眼于PBH分布DM与单色质量的$30 M_{\odot}$，并研究了捕获的情况下，二进制的形成，其中致密的中心区域DM晕占主导地位。因此，我们特别关注了超大质量黑洞（SMBH）的潮汐效应。在这样做的过程中，我们发现了一个必要的工具，称为损失区，补充了损失锥的使用。我们发现潮汐效应在影响二元形成方面并不突出，这也不足以解释LIGO事件率估计的总体情况，特别是由于微透镜事件限制了PBH中DM分数的质量从接近统一到更小的顺序。与此同时，早期宇宙双星形成的情景被证明是如此普遍，以至于LIGO信号反过来将PBH分数限制在1%以下。因此，人们应该更加相信替代PBH窗口和其他DM候选人。
2020-07-29 astro-ph.CO astro-ph.HE
Astrophysical Implications of the Binary Black-Hole Merger GW150914
利用先进的LIGO探测器发现的引力波源GW 150914为双黑洞系统的存在提供了第一个观测证据，该系统在宇宙的年龄内螺旋并合并。这种黑洞合并已经在两种主要的形成模型中得到了预测，包括星系场中的孤立双星或年轻和年老致密恒星环境中的动力学相互作用。测量的质量有力地证明了相对“重”的黑洞（$\gtrsim 25\, M_\odot$）可以在自然界中形成。这一发现意味着相对较弱的恒星风，因此GW 150914的形成环境中的金属丰度低于太阳值的$\sim 1/2$。从对GW 150914的观测中推断出的二进制黑洞合并的速率与两种形成模型的速率预测（$\gtrsim 1 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$）的高端一致。低测量红移（$z \sim 0.1$）的GW 150914和低推断的恒星祖先的金属丰度意味着要么双黑洞的形成在一个低质量星系在本地宇宙和迅速合并，或形成在高红移与形成和合并之间的时间延迟几个陀螺。这一发现激发了对双星黑洞形成天体物理学的进一步研究。它也对Advanced LIGO和Advanced Virgo以及空间引力波探测器的未来探测和研究产生了影响。
2016-02-11 astro-ph.HE gr-qc
Evidence for primordial black hole dark matter from LIGO/Virgo merger rates
到目前为止，LIGO/Virgo合作已经观测到或限制了不同类别紧凑物体的引力合并率。我们认为，这些合并的大部分是原始黑洞（PBH）合并的PBH在QCD时代形成的整个暗物质的可能性。在一篇配套论文中表明，由于在早期宇宙中形成的初始二元人口的合并可能是可以忽略不计的，我们计算了典型PBH所在的PBH集群中当前的合并率。我们考虑两种情况：（i）由QCD状态方程决定的PBH质量函数和（ii）由暴胀微扰谱中存在的峰决定的PBH质量函数。在第一种情况下，这基本上是参数免费的，我们很好地再现了合并率重黑洞，合并率的质量不对称的黑洞，如GW 190814，最近发现的合并的23 $M_{\odot}$黑洞与$2.6M_{\odot}$对象，可以自然地解释为什么LIGO/处女座尚未观察到合并的两个轻PBH从占主导地位的$\sim 1\,M_{\odot}$ PBH人口。在第二种情况下，它有一些参数的自由，我们很好地匹配所观察到的重PBH的速率，但目前不能解释质量不对称事件的速率。无论哪种情况，在这两种情况下，用最少的假设得出的PBH合并率与LIGO/Virgo观测到的大多数合并率非常匹配，这是诱人的。
2020-07-13 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Implications of Symmetry and Pressure in Friedmann Cosmology. II. Stellar Remnant Black Hole Mass Function
我们考虑用一类模拟黑洞但具有暗能量（DE）内部的非奇异解替换所有黑洞（BH）的一些观测结果; GEneric暗能量对象（GEODEs）。我们重点研究了引力波观测站观测到的黑洞合并的BH质量函数和啁啾质量红移分布。我们将GEODE蓝移到最初的Salpeter恒星残骸分布，并通过不断发展的合成二进制残留分布，发表之前LIGO的第一次测量模型的二进制人口。我们发现，在$20 \lesssim z \lesssim 40$之间产生的GEODE，在$z \sim 7$处观察到的GEODE，其初始质量将被$\sim 20-140\times$放大。这可以缓解只吸积增长模型和在$z \gtrsim 6$推断的类星体中黑洞质量之间的紧张关系。此外，我们发现，合并率的GEODE二进制增加了$\sim 2\times$的因素相对于经典的BH。由此产生的GEODE质量函数与$< 0.5σ$最新的LIGO约束一致。相比之下，演化成经典遗迹的萨尔皮特恒星分布在$\gtrsim 2σ$处于紧张状态。这种一致性发生在没有低金属量区域，异常大质量的祖星，新的形成通道，或原始物体以极端的速度形成的情况下。特别是，我们发现，太阳的金属丰度祖先，产生$1.1-1.8\mathrm{M}_\odot$残余物，重叠与许多LIGO观测时，作为GEODE演变。
2020-09-10 astro-ph.CO astro-ph.HE
Chemical evolution of the Universe and its consequences for gravitational-wave astrophysics
我们现在正在例行地探测由黑洞和中子星合并发出的引力波（GW）。这些是在宇宙中形成的大质量恒星的来世-在不同的时间和不同的金属丰度（比氦重的元素丰度）。诞生金属丰度在大质量恒星的演化过程中起着重要的作用。因此，合并的人口特性是敏感的金属丰度依赖的宇宙恒星形成历史（f $_{\rm SFR}$（Z，z））。特别地，在孤立的形成情景中（本文的重点），发现了一种强烈的低金属量的优先形成的合并涉及黑洞.这种依赖性的起源和它的后果进行了讨论.最重要的是，f $_{\rm SFR}$（Z，z）的不确定性（即使在低红移，特别是在低金属丰度时也很大）在模型中也不能忽略，这使得对当前GW观测的解释具有挑战性。进口的可能途径和未来GW探测器的作用被认为是。最近的努力，以确定f $_{\rm SFR}$（Z，z）和主导其不确定性的因素进行了总结。其中许多因素与星系的性质有关，这些星系微弱而遥远，因此难以观察。事实上，他们留下的印记作为宇宙时间的函数合并的属性，使未来的GW观测一个有前途的（和补充电磁观测）的工具，研究化学演化的星系。
2022-06-21 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Stellar-mass black holes in young massive and open stellar clusters IV: updated stellar-evolutionary and black hole spin models and comparisons with the LIGO-Virgo O1/O2 merger-event data
我提出了一套长期的，直接的，相对论性的多体计算模型密集的星团与最新的恒星演化，超新星（SN），和残留的自然踢模型，包括对不稳定性和脉动对不稳定性超新星（PSN和PPSN），使用更新版本的NBODY 7 N体模拟程序。N体模型还包括基于恒星演化的黑洞诞生自旋和基于数值相对论的双黑洞合并处理。这些，第一次在一个直接的N体模拟，允许第二代BBH合并。这套65个演化模型的初始质量为$10^4M_\odot-10^5M_\odot$，大小为1 pc-3 pc，金属丰度为$0.0001-0.02$，大质量恒星位于原始双星中，它们代表年轻大质量星团（YMC）和中等质量的疏散星团（OC）。这样的模型产生动态配对的BBH合并，与观测到的质量，质量比，有效自旋参数和LVC O 1/O2合并事件的最终自旋很好地吻合，前提是BH出生时具有低自旋或没有自旋，但在经历BBH合并或物质吸积后自旋上升。特别是，明显较高的质量，有效自旋参数，GW 170729并合事件的末自旋和O3事件GW 190412的质量不对称性也被自然再现。计算的模型产生大量的，$\sim100M_\odot$ BBH合并与初级质量内的“PSN差距”，也产生合并涉及残余的“质量差距”。他们还认为，YMC和OC产生持久的，LISA可检测到的本地宇宙GW源。这样的星系团也能够产生古怪的LIGO-Virgo合并。
2020-08-06 astro-ph.GA astro-ph.HE
Compact Remnant Mass Function: Dependence on the Explosion Mechanism and Metallicity
中子星和恒星质量的黑洞的质量分布为研究恒星核心坍缩的性质和超新星爆炸的物理引擎提供了重要线索。利用我们对超新星引擎的最新了解，我们推导出恒星致密残骸的质量分布。我们提供了分析处方紧凑的物体质量的主要人口合成代码。Belczynski等人在一篇随附的论文中，我们证明，这些定性的新结果紧凑的对象可以解释观测到的差距之间的残余质量分布约2-5个太阳质量，他们放置在超新星引擎的性质强有力的约束。在这里，我们表明，先进的引力辐射探测器（如LIGO/VIRGO或爱因斯坦望远镜）将能够进一步测试超新星爆炸引擎模型一旦双黑洞吸入检测。
2011-10-08 astro-ph.HE astro-ph.SR
Constraints on primordial black holes from LIGO-Virgo-KAGRA O3 events
本文利用 LIGO-Virgo-KAGRA O3 数据，通过分层贝叶斯分析多种 PBH 质量函数场景，将 1-200 太阳质量范围内 PBH 占暗物质比例上限约束为约 10^-3。
2024-07-31 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Merging black hole binaries: the effects of progenitor's metallicity, mass-loss rate and Eddington factor
LIGO探测到的前四次引力波事件都被解释为合并黑洞双星（BHB），为研究此类系统开辟了新的视角。在这里，我们使用我们的新的人口合成代码MOBSE，BSE（Hurley et al.2002）的升级版本，调查合并BHB的人口统计学。MOBSE包含了大质量热恒星的质量损失的金属性依赖处方。它还占电子散射爱丁顿因素对质量损失的影响。我们对12种不同金属丰度的孤立大质量双星进行了>10^8次模拟，以研究质量损失、核心坍缩超新星和共同包络对合并BHB的影响。考虑到恒星风对爱丁顿因子的依赖性，导致形成质量高达65 Msun的黑洞（BH），金属丰度Z~0.0002。然而，合并BHB中的大多数BH具有<40 Msun的质量。我们发现合并BHB的质量比在0.1 - 1.0范围内，即使质量比>0.6更有可能。我们预测像GW 150914、GW 170814和GW 170104这样的系统只能由金属丰度分别为Z<=0.006、Z<=0.008和Z<=0.012的祖细胞形成。大多数合并BHB经历了一个共同的信封阶段，但高达17%的合并BHB在低金属丰度没有经历任何共同的信封阶段。我们发现，贫金属祖先的合并数量远高于富金属祖先：在低金属丰度（Z = 0.0002 ~ 0.002）时，每单位质量的BHB合并数量约为10^-4 Msun^-1，而在高金属丰度（Z = 0.02）时，每单位质量的BHB合并数量降至约…
2017-11-09 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Counting Black Holes: The Cosmic Stellar Remnant Population and Implications for LIGO
我们提出了一个经验的方法来解释引力波信号的双黑洞合并的假设下，基本的黑洞人口来源于恒星演化的残余。利用观测到的星系质量和恒星金属丰度之间的关系，我们预测了黑洞数作为星系恒星质量的函数。例如，我们表明，像银河系这样的星系应该拥有数百万个$\sim 30~M_\odot$黑洞，而像天龙座这样的矮卫星星系应该拥有$\sim 100$这样的残余物，对假设的IMF和恒星演化模型的依赖性很弱。大多数低质量黑洞（$\sim10 M_\odot$）通常位于大质量星系（$M_\star \simeq 10^{11} M_\odot$）中，而大质量黑洞（$\sim 50~M_\odot$）通常位于矮星系（$M_\odot \simeq 10^9 M_\odot$）中。如果大约$1\%$的黑洞参与了一个二元黑洞合并，那么从先进的LIGO报告的合并率密度可以容纳一系列合并的时间尺度，并与$> 50~M_\odot$黑洞合并的检测应该在未来十年内预期。确定合并的宿主星系人口提供了一种方法来限制双中子星或黑洞的形成效率和合并时标分布;如果合并时标与宇宙年龄相比很短，这些事件将主要局限于矮星系，否则将局限于大质量星系。随着更多的合并被检测到，直接通过检测中子星合并的电磁对应物或间接通过事件的各向异性来识别宿主星系人口的前景将成为现实的可能性。
2017-10-17 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
PUSHing core-collapse supernovae to explosions in spherical symmetry IV: Explodability, remnant properties and nucleosynthesis yields of low metallicity stars
在本系列的第四篇论文中，我们使用参数化的球对称爆炸方法PUSH对两组非旋转恒星祖先模型进行了系统的研究。我们的研究包括爆炸前的模型与金属丰度Z=0和Z=Z $_{\odot}\times 10^{-4}$和覆盖的祖质量范围从11到75 M $_\odot$。我们提出并讨论了所有模型的爆炸性质，并预测在这种方法内的残余物（中子星或黑洞）的质量分布。我们还进行了系统的核合成研究，并预测详细的同位素产量作为祖质量和金属丰度的函数。我们提出了我们的核合成结果与观测派生的$^{56}$镍喷出物从正常的核心坍缩超新星和铁族丰度的贫金属星HD~84937的比较。总的来说，我们的爆炸能量，剩余质量分布，$^{56}$镍质量，和铁组产率的结果是一致的正常CCSNe的观察。我们发现，在低和零金属丰度的恒星祖先更容易BH的形成比那些在太阳的金属丰度，这允许在LIGO/VIRGO观察到的质量范围内的BH的形成。
2020-02-16 astro-ph.HE astro-ph.SR
A Triple Origin for the Heavy and Low-Spin Binary Black Holes Detected by LIGO/Virgo
我们探讨的质量，合并率，偏心率，并通过Lidov-Kozai机制驱动合并的第三个同伴的字段二进制黑洞的自旋。使用人口合成的方法，我们模拟创建恒星质量的黑洞三倍在一系列不同的初始条件和恒星金属丰度。我们发现，生产的三重介导的合并是在低金属丰度提高了约100倍，由于较低的黑洞出生踢和减少恒星质量损失。这些三重黑洞自然会产生有效自旋接近于零的重双黑洞，这与迄今为止观察到的大多数合并一致。这一过程在本机宇宙中产生的合并速率在2 ~ 25 Gpc^-3 yr^-1之间，表明Lidov-Kozai机制有可能解释Advanced LIGO/Virgo观测到的所有低自旋、重黑洞合并。最后，我们表明，三重承认一个独特的偏心率和自旋分布，这将使这个模型在不久的将来进行测试。
2018-08-06 astro-ph.HE
Binary Neutron Star Mergers with Missing Electromagnetic Counterparts as Manifestations of Mirror World
我们认为，大部分的二进制合并，这可能会提供引力波信号可检测的LIGO/室女座，从隐藏的镜像部门出现。除了引力作用，镜像粒子不会与普通观测者发生相互作用，这就是为什么与镜像物质组成的成分合并时，预期不会有伴随引力波的电磁信号。因此，如果宇宙的暗物质预算主要是由镜像粒子贡献的，我们预测，只有大约一个双中子星（中子星-黑洞）合并的10个，可观察到的LIGO/处女座，特别是在相对于视线有利的条件下，可能伴随着提示伽马射线暴和其他电磁信号适合后续观测。LIGO/Virgo在第三次观测运行期间记录的候选事件列表似乎支持我们的预测。
2020-04-02 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Estimating Transient Rates from Cosmological Simulations and BPASS
电磁波（EM）和引力波（GW）瞬变的探测率呈指数增长。由于瞬态速率的准确性将在未来几十年内显着提高，因此我们对它们在宇宙历史中的演变的理解也将提高。为此，我们提出了预测率EM和GW瞬变在宇宙的年龄使用二进制人口和光谱合成（BPASS）的结果结合四个宇宙恒星形成的历史（SFH）。这些包括广泛使用的经验SFH Madau & Dickinson和那些从三个宇宙学模拟：MilliMillennium，EAGLE和IllustrisTNG。我们发现，SFH的选择显着改变我们的预测：瞬态与短延迟时间的恒星形成率的影响最大，而长延迟时间的事件往往取决于恒星形成的金属丰度演化。重要的是，我们发现，宇宙学模拟有非常不同的金属丰度演化，不能复制广泛使用的Langer & Norman的金属丰度模型，这对双黑洞合并和剥离信封超新星率在本地宇宙最尖锐的影响。我们建议在预测可能具有长延迟时间且对金属丰度演化敏感的事件发生率时，不要使用宇宙金属丰度演化的简单处方。
2021-11-15 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Merger rate density of binary black holes formed in open clusters
利用引力波探测器观测到了几个双黑洞。对于BBH的形成机制，提出了两种主要机制：孤立双星演化机制和致密星团动力学形成机制。未来的观测有望提供更多关于BBH分布的信息，这将有助于我们区分这两种形成机制。对于星团通道，主要研究了球状星团。然而，最近的模拟表明，在疏散星团中BBH的形成是不可忽略的。利用我们对四种不同金属丰度的疏散星团进行的$N$ -体模拟结果，我们估算了源自疏散星团的BBH的局部合并率密度。我们发现，每个集群的合并率是最高的0.1太阳金属丰度模型。假设宇宙恒星的形成历史和金属丰度演化与色散，我们估计的本地合并率密度的BBH起源于疏散星团是$\sim 70~{\rm yr}^{-1} {\rm Gpc}^{-3}$。这个数值与LIGO和Virgo的第一次和第二次观测所预期的合并率密度相当。此外，我们发现，从我们的模拟得到的BBH合并可以重现的原始质量和质量比的分布合并BBH估计从LIGO和Virgo观测。
2020-05-20 astro-ph.HE
From the Milky Way to the Early Universe: How Metallicity Shapes the Formation of Double Neutron Stars
University of Florida（佛罗里达大学）；Harvard Society of Fellows（哈佛学会）；Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian（天体物理中心（哈佛大学与史密森尼学会））；Université de Genève（日内瓦大学）；The Adler Planetarium（阿德勒天文馆）；Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA)（天体物理学跨学科探索与研究中心）
本研究使用POSYDON代码模拟不同金属丰度下双中子星的形成，发现低金属丰度提高并合效率并产生更对称的质量比，为多信使时代解释宇宙学DNS种群提供框架。
2026-10-07 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
A Future Percent-Level Measurement of the Hubble Expansion at Redshift 0.8 With Advanced LIGO
同时测量距离和红移可以用来限制宇宙的膨胀历史和相关的宇宙学参数。合并的双黑洞（BBH）系统是标准的警报器-它们的引力波形提供了关于到源的光度距离的直接信息。因为引力是无标度的，所以在源质量和红移之间存在一个完美的简并;一些非引力的信息是必要的，以打破简并确定源的红移。在这里，我们建议，对不稳定性超新星（PISN）的过程，被认为是在合并BBH系统在$\sim 45 \, M_\odot$的黑洞（BH）质量的上限观察到的来源，印记在人口的BBH合并的质量尺度，并允许测量的红移-光度-距离与这些来源的关系。我们模拟了五年的BBH探测在先进的LIGO和处女座探测器与现实的假设BBH合并率，质量分布，结合一个平滑的PISN截止，和测量的不确定性。我们发现，经过一年的设计灵敏度（约2021年）的BBH人口可以约束$H(z)$ $6.1\%$在枢轴红移$z \simeq 0.8$。五年后（大约2025年），限制提高到$2.9\%$。这种测量只依赖于广义相对论和存在一个截止质量标度，该标度在整个宇宙时间内近似固定或校准;它独立于任何距离阶梯或宇宙学模型。未来“第三代”引力波探测器的观测可以看到整个宇宙中的BBH合并，将允许在一个月的观测时间内对$z \gtrsim 4$进行百分之几的宇宙学测量。
2019-09-06 astro-ph.CO astro-ph.HE
Black Holes at high and low metallicity
Armagh Observatory and Planetarium（阿马天文台和天文馆）
本研究利用 MESA 计算证明，低金属丰度下的大质量恒星通过内部混合和星风作用可避免对不稳定性，在第二质量间隙内产生黑洞，并解释了黑洞质量上限与金属丰度及旋转的关系。
2025-10-31 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
The origin of spin in binary black holes: Predicting the distributions of the main observables of Advanced LIGO
我们通过孤立场双星的演化过程研究了合并双星黑洞的形成过程，得到了AdvancedLIGO主要观测量的组合分布。我们使用了一种混合技术，结合了参数化的二进制人口合成代码COMPAS详细的二进制进化模拟与MESA代码。然后，我们将我们的二进制演化计算与红移和金属性相关的恒星形成率和引力波探测器的选择效应进行卷积，以获得可观测性质的预测。通过假设有效的角动量输运，我们能够提出一个模型，能够同时预测三个主要的引力波观测值：有效的螺旋自旋参数$χ_{eff}$，啁啾质量$M_{chirp}$，并合并的宇宙学红移$z_{merger}$。我们发现我们的模型和前两个先进的探测器观测运行的十个事件之间有很好的一致性。我们预测的第三次观测运行O3和先进的LIGO设计灵敏度。我们预计约80%的$χ_{eff} < 0.1$事件，而其余20%的$χ_{eff} \ge 0.1$事件分为约10%的$M_{chirp} < 15$ M $_\odot$和约10%的$M_{chirp} \ge 15$ M $_\odot$。总之，现有的LIGO/Virgo观测结果与我们的模型预测的有利比较支持了这样一种观点，即大多数（如果不是所有的话）观测到的合并都源于孤立双星的演化。第一个出生的黑洞的自旋可以忽略不计，因为它在膨胀成为巨星后失去了它的包层，而第二个出生的黑洞的自旋是由它的裸氦星祖先在双星完成共同包层阶段后由…
2020-01-24 astro-ph.HE
On the Gravitational Wave Background from Black Hole Binaries after the First LIGO Detections
LIGO合作组对双黑洞合并产生的引力波的探测为天体物理学打开了一扇新的窗口。随着地面探测器的灵敏度在未来几年，我们只能检测到本地黑洞二进制合并。积分合并率可以通过引力波背景来探测，引力波背景是双黑洞合并过程中引力波释放的能量的非相干叠加。通过这一点，可以研究二元黑洞的性质。在这项工作中，我们表明，通过测量能量密度$Ω_{GW}$（宇宙临界密度的单位）的引力波背景，我们可以寻找罕见的$\sim 100 M_{\odot}$大质量黑洞形成的宇宙。此外，我们可以回答质量最小的黑洞形成的频率有多高，质量为$> 3 M_{\odot}$。最后，如果双黑洞的形成有多个通道，并且其中任何一个通道预测了黑洞的质量范围很窄，那么引力波背景谱可能具有未来爱因斯坦望远镜可以检测到的特征。
2017-04-28 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
A "nu" look at gravitational waves: The black hole birth rate from neutrinos combined with the merger rate from LIGO
我们预测测量黑洞出生率从弥漫超新星中微子背景（DSNB）未来的中微子实验，并限制黑洞合并分数$ε$，结合信息的引力波实验，如LIGO的黑洞合并率。DSNB起源于宇宙中所有超新星发射的中微子，预计由两种成分组成：来自中子星形成超新星的中微子，以及来自黑洞形成“unnovae”的更高能量的次主导成分。我们进行马尔可夫链蒙特卡罗模拟数据的DSNB在类似于超神冈的实验分析，专注于这第二个组成部分。由于所有关于超新星中微子发射的知识都来自于对坍缩恒星的模拟，我们选择了两组先验：一组是对超新星有很好的理解，另一组是对它们的中微子发射知之甚少。通过将DSNB的黑洞出生率与LIGO的黑洞合并率的预计测量值相结合，我们表明，经过十年的超神冈实验，在$3 σ$置信度下，导致今天观测到的二元合并的黑洞比例$ε$可以被限制在$2 \cdot 10^{-4} \leq ε\leq 3 \cdot 10^{-2}$范围内。
2017-07-21 astro-ph.HE hep-ph
Coalescing primordial binary black holes with log-normal mass spectrum
在早期宇宙中产生的原始黑洞可以构成暗物质的很大一部分，并作为早期星系形成的种子。质量相当于几十个太阳质量的二元原生黑洞可以解释观测到的LIGO/Virgo引力波事件。在这封信中，我们表明，原始的黑洞与对数正态质量谱中心在$M_0\simeq 15-17 M_\odot$同时解释了啁啾质量分布的检测到的LIGO/室女座二进制黑洞和差分啁啾质量分布的合并二进制推断从LIGO/室女座观测。原始黑洞的对数正态质量谱的参数也给出了解释在$z=6-7$观测到的超大质量黑洞的人口所需的$M\gtrsim 10^4 M_\odot$种子的分数。
2021-01-07 astro-ph.HE hep-ph
Insights into the Milky Way pulsar--black hole population using radio and gravitational wave observations
LIGO-Virgo探测到的两次NS-BH合并首次直接证实了宇宙中存在这种类型的系统。这些发现也暗示了脉冲星-黑洞（PSR-BH）系统的存在。在本分析中，我们利用当前无线电调查中未检测到任何PSR-BH系统来估计银河系中向地球发射的$\sim$ 150 PSR-BH二元系统的95%上限。这对应于LIGO-Virgo网络合并检测率的95\%上限为$\mathcal{R}_{\rm LIGO} = 7.6$ ~yr $^{-1}$，其范围距离为100~Mpc，这与LIGO-Virgo得出的速率一致。此外，我们首次使用LIGO-Virgo的合并检测率估计来预测银河系中可检测的PSR-BH系统的数量。我们发现在银河系中存在$\left< N_{\rm obs, NSBH, e} \right> = 2^{+5}_{-1}$和$\left< N_{\rm obs, NSBH, p} \right> = 6^{+7}_{-4}$可探测的PSR-BH系统，分别对应于LIGO-Virgo估计的基于事件和基于人口的合并探测率。我们估计的概率检测这些PSR-BH系统与目前的无线电脉冲星调查，表明阿雷西博PALFA调查有最高的概率检测PSR-BH系统，而最近委托和计划的望远镜调查几乎保证检测到这些系统之一。最后，我们讨论了检测PSR-BH系统的障碍，以及如何在未来克服这些障碍。
2021-09-09 astro-ph.HE
The progenitors of compact-object binaries: impact of metallicity, common envelope and natal kicks
LIGO-Virgo合作（LVC）已经报道了六个引力波事件，其中五个与黑洞双星（BHB）合并有关，一个与双中子星（DNS）合并有关，而黑洞-中子星（BHNS）双星的合并仍然缺失。我们调查的祖先的双重紧凑的对象二进制与我们的人口合成代码MOBSE。MOBSE包括恒星风造成的质量损失的高级处方（取决于金属丰度和爱丁顿比），以及核心坍缩、电子俘获和（脉动）对不稳定超新星的形式主义。我们研究了祖先的金属丰度，共同包络参数$α$和出生踢的DNSs，BHNSs和BHBs的属性的影响。我们发现，中子星（NS）的质量范围从1.1到2.0 M $_\odot$，与轻NS的偏好，而在合并BHNS NS的NS大多有大的质量（$1.3-2.0$ M $_\odot$）。合并BHN中的BH优先为低质量（$5-15$ M $_\odot$）。合并BHB中的BH质量强烈依赖于祖细胞的金属性，并且从$\sim{}5$跨越到$\sim{}45$ M $_\odot$。从我们的模拟中得出的BHNS和BHB的本地合并率密度与LVC在我们所有的模拟中报告的值是一致的。与此相反，本地合并率密度的DNS匹配的值推断出的LVC只有当低出生踢假定。这一结果为本征踢和DNS形成的复杂谜题增添了另一个部分。
2019-05-21 astro-ph.HE astro-ph.SR
