致密星团中的黑洞并合与质量间隙之外的大质量黑洞形成

我们使用 Nbody6++GPU 进行了直接 N-body 模拟，针对年轻且致密的低金属丰度星团，包含 $1.1\times 10^5$ 颗恒星，速度弥散为 $\sim$ 10 $\mathrm{km\,s^{-1}}$，半质量半径 $R_h=0.6$ pc，双星比例为 $10\%$，并采用了更新的恒星风与对不稳定超新星（PISNe）演化模型。在演化的最初数千万年内，每个星团都发生了数次黑洞（BH）并合事件，几乎覆盖了当前 LIGO/Virgo/Kagra 引力波探测中主黑洞与次黑洞质量的完整范围。我们统计估计了引力反冲的重要性。我们提出了在假定的 PISNe 质量间隙下限（$45 M_\odot$）之上、进入中等质量黑洞（IMBH）区间（$> 100 M_\odot$）的大质量黑洞的几种可能形成路径，包括恒星与黑洞的碰撞，以及具有低质量核心的恒星并合残骸的直接坍缩。恒星演化的更新导致相较于先前的模型，更早地形成了质量更高的恒星黑洞。由此产生的与大质量恒星更高的碰撞率支持了大质量黑洞的快速形成。对于假设星-黑洞并合具有高吸积效率的模型，我们提出了一种类似 GW190521 事件的第一代形成情景，即位于 PISN 质量间隙内的两个黑洞的并合，且该并合由星-黑洞并合主导。这种 IMBH 形成路径独立于引力反冲，因此在逃逸速度较低的致密恒星系统中是可设想的。一个模拟星团甚至形成了一个 IMBH 双星（153$M_\odot$,173$M_\odot$），预计将在一个哈勃时间内并合。