Flipping spins in mass transferring binaries and origin of spin-orbit misalignment in binary black holes
近距离的双星系统倾向于经历一个稳定的质量转移阶段，在这个阶段中，一颗恒星会向它的伴星失去质量。假设施主星沿瞬时星际轴失去质量，我们推导出轨道平均运动方程描述施主旋转角动量矢量（自旋）的演变伴随着质量的转移。我们认为：（i）在每个轨道内质量转移率恒定的模型和（ii）在近心点处每个轨道的所有质量损失的相位依赖率。在这两种情况下，我们发现，喷射的$\gtrsim 30$ %的捐助者的初始质量导致其自旋几乎翻转到轨道平面的二进制，独立的初始自旋轨道对齐。此外，我们表明，自旋翻转由于质量转移可以很容易地主导任何巨星和主序星的质量$\sim1.5$到$5\,\rm M_\odot$的潮汐同步。最后，一般的运动方程，包括潮汐，被用来发展一个现实的人口的大质量双星导致形成的二元黑洞。假设恒星的核心和包层是完全耦合的，第一个诞生的黑洞的倾斜会使它在轨道法线上的自旋投影减少一个因子$\sim\mathcal{O}(0.1)$。这一结果支持了以前的研究，有利于一个微不足道的贡献，有效的自旋投影，$χ_{\rm eff}$，在二进制黑洞形成的场双星的演化。
2021-02-01 astro-ph.HE astro-ph.SR
Evidence for a black hole spin--orbit misalignment in the X-ray binary Cyg X-1
本研究通过约26年的多波段射电观测，证实X射线双星Cyg X-1的黑洞自旋与双星轨道存在20°-30°的天球平面位置角不共面，挑战了该双星系统的传统演化认知。
2023-06-29 astro-ph.HE
Upgrading Alpha Crucis to a seven star system. Discovery of Bb and orbital misalignment
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
研究发现Alpha Crucis存在七颗恒星，其中Bb为新发现的双星，揭示了轨道偏移和动态形成机制。
2026-03-11 astro-ph.HE astro-ph.SR
Measurement of spin-orbit misalignment in binary black holes via the total spin
Northwestern University（西北大学）；University of California at Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；California Institute of Technology（加州理工学院）；The University of Chicago（芝加哥大学）；Institute for Advanced Study（高等研究院）
本研究引入θ_LS作为自旋-轨道错位的替代测量指标，通过合成观测和GWTC-5.0星表分析，发现双黑洞种群需显著自旋-轨道错位，且识别出此前未发现的自旋不对齐事件。
2026-08-26 astro-ph.HE
Hierarchical analysis of gravitational-wave measurements of binary black hole spin-orbit misalignments
双黑洞的形成既可能是通过孤立的双演化，也可能是通过致密恒星环境中的动力学相互作用。形成通道在黑洞自旋和轨道角动量之间的对齐上留下了印记。来自这些系统的引力波直接编码了关于自旋-轨道失准角的信息，使它们受到（弱）约束。识别旋转双星黑洞的子种群将为我们提供关于致密双星形成和演化的信息。我们模拟了一个混合人口的二进制黑洞与自旋轨道失调建模下的一系列假设。然后，我们开发了一个层次分析，并将其应用到模拟这些人口的引力波观测。假设人口与无量纲自旋幅度$χ= 0.7$，我们表明，数十个观测将有可能区分的子群体的合并二进制黑洞的基础上，他们的自旋方向的存在。通过$100$观测，将有可能推断出具有各向同性自旋方向（对应于我们模型中的动态形成）的合并二元黑洞的相对分数，分数不确定性为$\sim 40\%$。与此同时，只有$\sim 5$观测足以区分极端模型-所有的二元黑洞要么具有精确对齐的自旋，要么具有各向同性的自旋方向。
2017-09-12 astro-ph.HE gr-qc
Impact of natal kicks on merger rates and spin-orbit misalignments of black hole -- neutron star mergers
随着LIGO/Virgo/Kagra合作组GW 200105和GW 200115的宣布，对合并黑洞-中子星（BH-NS）双星的探测的漫长等待终于结束了。值得注意的是，GW 200115的主星在轨道角动量上有一个负的自旋投影，概率约为$90\%$。合并BH-NS双星预计将主要通过大质量双星在该领域的演变，因为他们的动态形成密集的星团强烈抑制质量分离。在本文中，我们进行了系统的统计研究的双星演化形成一个BH-NS的二进制，考虑不同的金属丰度，并考虑到出生踢分布的BH和NS和共同的信封阶段的二进制演化的不确定性。假设初始恒星自旋与二进制角动量对齐，我们表明，两个大的出生踢（$\gtrsim 150$公里秒$^{-1}$）和高效率的共同信封喷射需要同时解释推断的高合并率和大自旋轨道错位的GW 200115。
2021-08-31 astro-ph.GA astro-ph.HE
Spin-Orbit Misalignments in Tertiary-Induced Black-Hole Binary Mergers: Theoretical Analysis
黑洞（BH）双星合并是LIGO/VIRGO探测到的一类重要的致密双星动力学形成通道。最近的工作已经研究了BH双星的轨道和自旋动力学相结合，经历大Lidov-Kozai（LK）偏心率振荡引起的一个高度倾斜的同伴和合并通过引力波辐射。然而，极端的偏心率变化使得这样的系统难以分析表征。在本文中，我们开发了一个分析的形式主义理解的自旋动力学的二进制BH进行LK诱导合并。我们表明，在一定的条件下，偏心率振荡的二进制可以平均，以确定BH自旋的长期行为在一个光滑的方式。特别是，我们证明了最终的自旋轨道错位角$θ_{\rm sl}$往往是通过近似绝热不变量与二进制的原始自旋取向。我们的理论解释了“$90^\circ$吸引子”（在最近的数值研究中发现）的$θ_{\rm sl}$的演变时，初始BH自旋与轨道轴对齐，八极LK的影响是可以忽略不计的-这样的“$90^\circ$吸引子”将导致一个小的二元有效的自旋参数$χ_{\rm eff}\sim 0$，即使是大的内在BH自旋。我们计算了作为初始条件的函数的封闭形式的绝热性偏差。我们还放置精确的约束时，这个绝热不变打破由于共振自旋轨道相互作用。我们认为恒星质量和超大质量BH第三同伴，并提供简单的处方，以确定分析最终的自旋轨道错位角的合并BH双星。
2021-02-24 astro-ph.HE gr-qc
Inferring Eccentricity of Binary Black Holes from Spin-Orbit Misalignment
Columbia University（哥伦比亚大学）
通过自转-轨道偏移推断双黑洞形成时的偏心率，利用引力波测量约束其形成过程
2025-12-26 astro-ph.HE gr-qc
Black Hole and Neutron Star Binary Mergers in Triple Systems: II. Merger Eccentricity and Spin-Orbit Misalignment
利用三级伴星诱导的Lidov-Kozai振荡研究了黑洞与中子星并合的动力学特征。对于每种类型的二进制（BH-BH和BH-NS），我们探索了广泛的二进制/三重参数，导致二进制合并，并确定偏心率（$e_\mathrm{m}$）和自旋轨道失调角（$θ_\rm {sl}^\rm f$）的分布时，二进制进入LIGO/VIRGO带。我们使用双平均（在两个轨道上）和单平均（在内轨道上）的长期方程，以及N体积分，发展系统与不同层次的水平，包括领先的顺序后牛顿效应，自旋轨道耦合和引力辐射。我们发现对于质量相当的BH-BH双星的合并，大约$7\%$有$e_\mathrm{m}>0.1$，$0.7\%$有$e_{\rm m}>0.9$ .大多数合并在LISA波段有显著的偏心。BH自旋演化和$θ_\rm {sl}^\rm f$与轨道演化和$e_{\rm m}$相关。具有$e_{\rm m} \lesssim 10^{-3}$的合并具有在$90^\circ$附近达到峰值的$θ_\rm {sl}^\rm f$的分布（并且因此有利于投影的二元自旋参数$χ_{\rm eff}\sim 0$），而具有较大$e_{\rm m}$的合并具有更各向同性的自旋轨道失配。对于典型的BH-NS双星，强烈的八元组效应导致更多的合并与不可忽略的$e_\mathrm{m}$（与$\sim 18\%$有$e_\mathrm{m}>0.…
2019-08-12 astro-ph.HE gr-qc
Black hole-neutron star mergers from triples II: the role of metallicity and spin-orbit misalignment
通过引力波（GW）观测黑洞-中子星（BH-NS）并合对它们的电磁对应物（例如短伽马射线暴）具有极大的兴趣，并且可以提供关于BH-NS的性质以及NS地壳和磁层的关键信息。虽然没有事件得到证实，但最近LIGO-Virgo合作可能发现的BH-NS合并事件吸引了人们对这些来源的大量关注。在本系列的第二篇论文中，我们继续研究了由BH-NS双星组成的三元组的动力学演化。特别是，我们研究如何祖金属丰度影响的特点，BH-NS合并的三倍。我们确定的质量，轨道参数和合并时间的分布，作为祖先金属丰度和初始三重轨道分布的函数，并表明，在LIGO波段的典型偏心率是$\sim 10^{-2}-10^{-1}$。我们得出的合并率范围为$Γ_\mathrm{BH-NS}=1.9\times 10^{-4}-22 \ \mathrm{Gpc}^{-3}\ \mathrm{yr}^{-1}$，符合LIGO-Virgo上限。最后，我们研究了从这个通道合并BH-NS双星的预期自旋轨道失调，并发现通常的有效自旋分布峰值在$χ_{\rm eff}\sim 0$与显着的尾巴。
2019-10-12 astro-ph.GA astro-ph.HE
Decretion disc evolution and neutron star accretion in short-period eccentric Be/X-ray binaries
本文利用三维SPH模拟研究短周期偏心Be/X射线双星A0538-66中Be星星盘演化与中子星吸积，揭示轨道偏心率导致星盘参数随轨道相位变化，并发现吸积率与轨道倾斜角密切相关。
2025-02-07 astro-ph.HE astro-ph.SR
Black Hole and Neutron Star Binary Mergers in Triple Systems: Merger Fraction and Spin-Orbit Misalignment
由外部伴星引力扰动驱动的黑洞并合是LIGO探测到的黑洞并合双星的一类重要形成通道。我们研究了三重系统中双星BH的轨道和自旋演化，其中第三伴星通过Lidov-Kozai振荡激发内双星的大偏心率，导致双星通过引力辐射合并。使用单轨道平均和双轨道平均的长期动力学方程的三重态，我们确定合并窗口（范围内的同伴倾斜，允许内部的二进制合并）和合并分数作为各种系统参数的函数。对于典型的BH双星，合并分数迅速增加与扰动偏心率$e_{\rm out}$，因为八极摄动，达到$10-20\%$在$e_{\rm out}=0.9$。推导了在八极效应可忽略的情况下系统的合并窗口和合并分数的解析表达式，并将其应用于三重态的中子星双星合并。我们还遵循自旋演化的BH在同伴诱导的轨道衰变。从对齐的自旋轴开始，当双星进入LIGO带时，可以产生大范围的最终自旋轨道失准角$θ_{\rm sl}^{\rm f}$。对于八极效应较小的系统（如等质量双星或$e_{\rm out}\sim 0$），$θ_{\rm sl}^{\rm f}$的分布在$90^\circ$附近达到峰值。随着八重效应的增加，最终自旋轴的分布更加各向同性。总的来说，合并BH二进制产生的Lidov-Kozai振荡在三重显示出独特的分布的有效自旋参数$χ_{\rm eff}$，这可能是用来区分这个形成通道从其他人。
2018-08-12 astro-ph.HE gr-qc
A Possible Mass Ratio and Spin-Orbit Misalignment Correlation for Mergers of Binary Black Holes in Nuclear Star Clusters
Canadian Institute for Theoretical Astrophysics（加拿大理论天体物理研究所）；Princeton University（普林斯顿大学）
本文提出一种动力学路径，指出通过两阶段稳定质量转移形成并受遥远大质量天体引力扰动驱动的双黑洞并合，其自旋轨道错位角与质量比呈反相关，为理解引力波观测中的黑洞自旋特性提供了新视角。
2026-10-30 astro-ph.HE
On the Likely Dynamical Origin of GW191109 and of Binary Black Hole Mergers with Negative Effective Spin
本文研究了难以用孤立双星演化解释的负有效自旋双黑洞并合事件，证明在致密星团中动力学组装且含第二代黑洞的系统能自然重现GW191109等事件的观测特征。
2023-06-28 astro-ph.HE
Spin-Orbit Misalignments of Eccentric Black Hole Mergers in AGN Disks
Niels Bohr International Academy, Niels Bohr Institute（尼尔斯·玻尔国际学院，尼尔斯·玻尔研究所）；Center of Gravity, Niels Bohr Institute（引力中心，尼尔斯·玻尔研究所）
研究通过N体模拟分析AGN盘中双星合并的自转-轨道偏移，发现近圆轨道通常对齐，而偏心轨道因气体扭矩作用有限，导致χ_eff分布更各向同性，揭示了AGN通道中二体偏心率与χ_eff的关联。
2026-03-24 astro-ph.GA astro-ph.HE
Secular Spin-orbit Resonances of Black Hole Binaries in AGN Disks
本文研究了AGN盘中恒星质量黑洞双星围绕超大质量黑洞演化时的长期自旋-轨道共振，发现该共振可激发高倾斜角和自旋-自旋失准，但受限于吸积模式，该共振在AGN盘中较为罕见。
2023-04-13 astro-ph.HE
Constraints on compact binary merger evolution from spin-orbit misalignment in gravitational-wave observations
LIGO、Virgo和KAGRA合作对第一个确认的中子星-黑洞（NS-BH）双星合并的识别为研究确认和候选事件的早期样本的性质提供了机会。在这里，我们主要集中在相对于双星轨道角动量矢量的黑洞自旋的倾斜角，以及确定这种倾斜的物理过程的影响。GW200115和候选事件GW190426_152155和GW190917_114630的后倾分布在显著反对齐方向达到峰值（尽管显示宽分布）。通过孤立的双星演化产生这些倾斜将需要比通常认为的更强的出生踢（优先极性踢将被排除），和/或额外的倾斜源，如稳定的质量转移。早期样本的NS-BH事件的质量小于预期的经典形成通道，并可能提供有效的质量转移的证据，导致合并更大质量的NS-BH双星之前，他们的演变到紧凑的阶段是完整的。我们预测，未来的引力波探测的NS-BH事件将继续显示总的二进制质量的$\approx 7$ M $_{\odot}$和质量比的$q \sim 3$，如果这种解释是正确的。相反，候选行星GW191219_163120的高质量表明它是一个动力学捕获源。合并的NS-BH系统中很大一部分的大倾斜将削弱电磁探测的前景。然而，EM观测，包括未检测，可以显着收紧自旋和质量比的约束。
2022-01-07 astro-ph.HE gr-qc
Inferences about supernova physics from gravitational-wave measurements: GW151226 spin misalignment as an indicator of strong black-hole natal kicks
二元黑洞GW 151226的推断参数与质量最大的黑洞的非零自旋一致，与二元的轨道角动量不一致。如果这些黑洞是由一颗初始排列的双星通过孤立的双星演化而形成的，那么这种不对准就可能是由于恒星坍缩过程中第一个出生的黑洞在出生时受到的出生踢。我们使用简单的运动学参数来约束这个踢的特征幅度，并发现出生踢$v_k \gtrsim 50$公里/秒必须赋予黑洞在出生时产生的失调符合GW 151226。如此大的出生反冲超过了目前大多数超新星和双星演化模型中默认采用的反冲。
2017-07-07 astro-ph.HE gr-qc
Spin misalignment of black hole binaries from young star clusters: implications for the origin of gravitational waves events
最近的研究表明，年轻星团中的合并黑洞（BH）双星的祖先可以像孤立的双星一样经历一个共同的包络相。如果恒星从共同的包层中以裸露的核心出现，潮汐相互作用可以在它们坍缩成BH之前有效地同步它们的自旋。与孤立的情况相反，这些二元黑洞在合并之前也可以与集群中的其他黑洞进行动力学相互作用。这种相互作用可以使双星轨道平面倾斜，导致自旋轨道不对准。我们估计的自旋性质合并二进制BH经历这种情况下，结合最新的二进制人口合成和准确的少体模拟。我们表明，后共同信封二进制BH可能只经历一次遭遇，由于高的二进制反冲速度和短的合并时间。采用双星-单星相遇率的保守极限，我们得到的本地黑洞合并率密度约为6.6 yr^-1 Gpc^-3。假设BH的出生自旋小于0.2，这个方案再现了由GWTC-2推断的有效自旋Xeff和进动参数Xp的分布趋势，包括在（Xeff，Xp）~（0.1，0.2）处的峰值和在负Xeff值处的尾部。
2021-04-02 astro-ph.GA astro-ph.HE
Modeling the Jet Kinematics of the Black Hole Microquasar XTE J1550-564: A Constraint on Spin-Orbit Alignment
用连续拟合方法测量黑洞自旋依赖于这样一个假设，即黑洞的自旋轴对我们视线的倾角与宿主双星系统的轨道倾角相同。微类星体XTE J1550-564的X射线和射电喷流数据为检验这一假设提供了难得的机会。在其他人的工作之后，我们对这些数据进行了建模，从而确定了喷流轴的倾斜角度，假设喷流轴与黑洞的自旋轴对齐。我们发现喷流倾角约为71度，并将自旋倾角和轨道倾角之间的差异上限设定为< 12度（90%置信度）。我们的测量测试沿视线的未对准，同时不提供垂直于该平面的约束。我们对失准角的约束支持了XTE J1550-564中自旋黑洞已经与轨道平面对齐的预测，并为通过连续拟合方法测量其自旋提供了支持。我们的结论是基于一个简单而合理的模型，一对对称的射流传播到一个低密度的空腔，其西壁是近XTE J1550-564比其东壁约20%。
2011-11-17 astro-ph.HE
Illuminating Black Hole Binary Formation Channels with Spins in Advanced LIGO
最近发现的双星黑洞合并GW 150914和GW 151226开创了引力波天文学领域。对于这些来源提出的两个主要形成通道，即银河场中的孤立双星演化和致密星团中的动力学形成，预测的质量和合并率显着重叠，使任何仅依赖测量质量的天体物理学主张变得复杂。在这里，我们研究的分布自旋轨道失调预计从外地和密集的星团的双星。在黑洞出生踢的标准假设下，我们发现，类似于GW150914的黑洞双星可以形成显着的自旋轨道错位，只有通过动力学过程。特别是，这些重黑洞双星只能形成一个显着的自旋轨道反对齐的动力学通道。我们的研究结果表明，未来的检测合并黑洞二进制可测量的自旋将使我们能够确定这些系统的主要形成渠道。
2016-11-02 astro-ph.HE
Supernova Kicks and Misaligned Microquasars
观测到低质量X射线双星微类星体GRO J1655-40的喷流与双星轨道平面之间存在错位。由于当前的黑洞自旋轴很可能平行于喷流，这意味着黑洞的自旋轴和双星轨道平面之间存在偏差。这很可能是黑洞形成的不对称超新星，导致轨道轴与恒星的自旋不一致。我们要问，超新星爆炸不影响黑洞的自旋轴的零假设是否可以被从已知的系统参数中推断出的爆炸性质所排除。我们发现，这个零假设不能被推翻，但我们发现，最有可能的要求，形成系统包括一个小的出生黑洞踢（几十公里/秒）和一个相对较宽的前超新星双星。在这种情况下，观测到的密近双星系统可能是由潮汐循环形成的，没有共同的包络相。
2009-09-30 astro-ph.HE
Inferring binary parameters with dual-line gravitational wave detection from tight inspiraling double neutron stars
本文提出利用LISA与Cosmic Explorer对紧密双中子星双线引力波的联合探测，在无电磁观测条件下推断自旋-轨道错位角和中子星转动惯量，分别达到亚百分比和5%的测量精度。
2024-01-20 astro-ph.HE gr-qc
No evidence that the majority of black holes in binaries have zero spin
用引力波观测到的并合黑洞的自旋性质可以提供有关这些系统起源的新信息。黑洞自旋的大小和方向提供了双星演化历史的记录，编码了关于大质量恒星演化和双星黑洞组装的天体物理环境的信息。最近对二进制黑洞人口的分析得出了相互矛盾的黑洞自旋分布的图像。一些工作表明，黑洞的自旋很小，但不为零，并表现出广泛的失准角相对于双星的轨道角动量。其他的研究得出结论，大多数黑洞是不旋转的，而其余的则是快速旋转的，并且主要与它们的轨道对齐。我们重新审视这些相互矛盾的结论，采用各种互补的方法来测量自旋幅度和取向的分布之间的二元黑洞合并。我们发现自旋消失的黑洞子群的存在并不是当前数据所要求的。如果存在这样一个子群，我们的结论是它必须包含二进制文件的$\lesssim 60\%$。此外，我们发现的证据显着的自旋轨道不一致的二元黑洞人口，与一些系统表现出的不一致角大于$90^{\circ}$，并没有看到一个近似自旋对齐的子人口的证据。
2022-10-03 astro-ph.HE gr-qc
Supermassive Black Holes: modelling strongly and weakly magnetised misaligned accretion disks
Jeremiah Horrocks Institute, University of Lancashire（兰开夏大学杰里迈亚·霍罗克斯研究所）；Black Hole Initiative at Harvard University（哈佛大学黑洞倡议）
通过GRMHD模拟研究不同初始错位角和磁场配置下的吸积盘，发现磁抑制盘（MAD）状态可使盘在极端错位下与黑洞对齐，而弱磁场盘保持错位且最大倾斜角约50°。
2026-05-26 astro-ph.HE
Explaining LIGO's observations via isolated binary evolution with natal kicks
我们比较二进制演化模型与不同的假设黑洞出生踢的第一个引力波观测LIGO探测器进行。我们的比较试图调和合并率，质量，自旋和自旋轨道错位的所有当前的观测与国家的最先进的形成方案的二元黑洞形成孤立。我们估计，黑洞（BH）应该接受出生踢的顺序$σ\simeq 200$（50）公里/秒，如果潮汐过程不重新调整恒星的自旋。我们的估计是由两个简单的因素驱动的。出生反冲离差$σ$是从上方限定的，因为大反冲破坏了太多的双星（将合并率降低到观测值以下）。相反，出生踢分布是有界的，因为适度的踢需要产生一系列的自旋轨道错位。如果所有的黑洞都可能有出生自旋，那么错位的分布增加了我们的模型与LIGO观测的兼容性。与采用具体BH出生自旋处方的相关工作不同，我们探索了一系列可能的BH出生自旋分布。在我们的模型的上下文中，对于这里使用的所有$σ$的选择，以及在一个简单的基准参数化自旋分布的上下文中，观测结果有利于低BH出生自旋。
2018-06-20 astro-ph.HE gr-qc
