通过星团中的恒星二体演化与层级合并组装 GW231123

GW231123 是 LIGO-Virgo-KAGRA 合作检测到的最重的二体黑洞 (BBH) 合并事件。其中至少一颗黑洞 (BH) 位于上质量间隙 (upper-mass gap)，且两颗 BH 均表现出高自旋 ($\chi_{1,2} \gtrsim 0.8$)，这挑战了标准的孤立二体演化模型。一个引人注目的替代方案是星团中的动力学起源，星团中的恒星二体和层级合并可能都有助于形成类似的 BBH。本文使用 B-POP 半解析人口合成代码研究了在不同星团环境中 GW231123 类事件的形成。我们发现，低金属环境 ($Z \lesssim 0.002$) 有利于产生类似 GW231123 的 BBH 合并。年轻星团和全球星团中的这些 BBH 由恒星二体形成，而在核星团中也有显著来自通过层级合并构建的 BH 贡献。恒星二体中形成的 BH 的诊导自旋对找到 GW231123 类事件至关重要。特别是，我们的模型表明，来自恒星二体的 BH 很可能具有高自旋。模拟的 GW231123 类系统表现出短延迟时间，$t_\mathrm{del} \sim 0.1 - 1$ Gyr，这暗示其前体在推断的合并红移 ($z = 0.39^{+0.27}_{-0.24}$) 附近形成。我们认为，金属贫乏的矮星系或类似银河的星系中的星团是理想的育种场。我们推断，针对核星团的当地合并速率上限为 $\mathcal{R} \sim 1.6\times10^{-3} - 0.16$ yr$^{-1}$ Gpc$^{-3}$，针对全球星团为 $\sim 0.036 - 0.72$ yr$^{-1}$ Gpc$^{-3}$，针对年轻星团为 $4\times10^{-4}-0.041$ yr$^{-1}$ Gpc$^{-3}$。