恒星双星黑洞并合的主星系性质及其对先进 LIGO 引力波源的启示

理解恒星双星黑洞（SBBH）并合的主星系性质，对于揭示先进 LIGO 探测到的 SBBH 引力波源的起源具有重要意义，并有助于识别其电磁对应体。本文通过将 SBBH 形成与并合的半解析方案纳入宇宙学星系形成模型，对 SBBH 的主星系性质进行了全面分析。若 SBBH 形成与并合间的时间延迟介于 $\la$\,Gyr 到哈勃时间之间，则红移 $z\la0.3$ 处的 SBBH 并合优先发生于恒星质量 $M_*\ga2\times10^{10}\msun$、金属丰度 $Z$ 峰值约 $0.6Z_\odot$ 的大星系中。然而，重 SBBH 并合（$M_{\bullet\bullet}\ga50\msun$）的主星系恒星质量分布呈双峰状，一峰位于 $\sim10^9\msun$，另一峰位于 $\sim2\times10^{10}\msun$。金属丰度 $Z\la0.2Z_\odot$ 的主星系对重并合的贡献比例远大于对较轻并合的贡献。若 SBBH 形成于早期宇宙（如 $z>6$），由于主星系后续的宇宙学聚集与增丰，其在 $z\la0.3$ 处被探测到的并合优先发生于质量更大（$M_*>3\times10^{10}\msun$）的星系，以及金属丰度大多 $\ga0.2Z_\odot$ 且峰值在 $Z\sim0.6Z_\odot$ 的星系中。$z\la0.3$ 处的 SBBH 并合主要发生于旋涡星系，但若这些 SBBH 形成于早期宇宙，发生于椭圆星系的并合比例可能显著；约三分之二的此类并合发生于暗物质晕的中心星系。我们还给出了高红移处 SBBH 并合主星系性质的结果。