用场双星解释 LIGO 黑洞质量函数：重访低金属丰度恒星演化还是诉诸气体吸积增长？

我们对双星黑洞（BBH）形成与演化的理解受到 LIGO/Virgo 合作组近期发现的显著影响。最为重要的是最质量最大的 BBH 系统 GW190521 的探测。本文研究场大质量恒星双星需要何种条件才能解释此类大质量 BBH 的形成。即，黑洞质量函数的高质量端究竟是由在极低金属丰度下形成并避开对不稳定性质量间隙的大质量恒星遗迹所填充，还是通过从周围介质吸积气体使其诞生质量增长超过对不稳定性质量间隙。我们表明，假设极低金属丰度下的大质量恒星可通过避开对不稳定性超新星形成大质量黑洞，再结合相应较高的 BBH 形成效率，可以解释观测到的黑洞质量函数。为此，需要前身星在低金属丰度下的初始质量与最终质量之间的关系比仅由星风质量损失所预期的更为平缓。另一方面，假设对不稳定性在所有金属丰度下均起作用，若至少约 10% 在极低金属丰度下诞生的黑洞在并合前因吸积环境气体而使质量翻倍，则可解释观测到的黑洞质量函数。此类 BBH 将不得不在其母体原子冷却晕的秒差距尺度内停留约 1 Gyr，若位于其宿主暗物质晕的内亚秒差距区域则所需时间更短。未来对极低金属丰度大质量恒星的恒星演化计算，以及对原子冷却晕中诞生 BBH 的气体吸积流体动力学模拟，可阐明这一争论。