引力波数据中低质量双黑洞的独特自旋性质和天体物理起源

我们使用分层贝叶斯推断，分析了GWTC-5.0中双黑洞并合的有效自旋分布作为主黑洞质量的函数。我们将族群建模为两个自旋成分的混合，由一个直接从数据中推断出的转变质量尺度分隔。我们发现强有力的证据表明在$\tilde{m} = 15.2^{+4.3}_{-3.6}\, M_\odot$处存在转变。模拟星表分析表明，这种转变不太可能源于质量无关的$\chi_{\rm eff}$族群的有限样本波动，并且推断出的转变质量上下方的$\chi_{\rm eff}$后验预测分布明显不同。在转变质量以下，有效自旋分布较窄，在小正值$\chi_{\rm eff}>0$处达到峰值，但也显示出对负$\chi_{\rm eff}$的显著支持。在转变质量以上，分布更宽，其峰值移至与$\chi_{\rm eff}\simeq0$一致的值，使其在正负$\chi_{\rm eff}$处的支持大致相似。这些发现表明，集中在$10\,M_\odot$附近的主导并合族群在统计上不同于其余族群，并且它源于不同的形成通道。我们表明，这个低质量族群与场中大质量恒星多星系统的形成大致一致：它可能源于孤立双星演化，但前提是$\tilde{m}$以下的黑洞诞生速度通常非常大($\gtrsim100\,\rm km/s$)，或者是由等级三体系统的动力学演化引起的。相比之下，具有标准回落冲击模型的孤立双星演化无法再现对负$\chi_{\rm eff}$的支持。