来自 Population III 恒星簇的二元黑洞合并

来自 Population III（Pop. III）恒星演化产生的二元黑洞（BBHs）是下一代地面基准引力波（GW）探测器的主要高红移目标。它们的预测初始质量函数和缺乏金属使它们成为质量超过偶对稳定质量间隙上缘的黑洞（即质量高于 $\approx{}134$（241）M$_\odot$）的理想祖先，即对于在演化过程中（不）形成化学均匀的恒星。本文我们通过考虑 Pop. III 恒星质量函数、二进制系统的轨道属性以及星系的质量和破坏时间的主要不确定性，研究了星系动力学对 Pop. III 恒星 BBHs 质量函数的影响。在我们的动力学模型中，至少有 $\sim$5% 且最多可达 100% 的 Pop. III 恒星簇 BBH 合并的首要质量 $m_1$ 超过偶对稳定质量间隙的上缘。相比之下，除非其祖先以化学均匀方式演化，否则只有 $\lesssim {} 3$% 的孤立 BBH 合并的首要质量超过该间隙。缺乏首要和/或次要质量处于间隙内的系统在首要质量 - 质量比平面上定义了一个具有尖锐边界的回避区。最后，我们估计了 BBHs 的合并率密度，在最乐观的情况下，我们发现最大为 $\mathcal{R}\approx200\,{\rm Gpc^{-3}\,yr^{-1}}$ 在 $z\sim15$ 处对于通过动力捕获形成的 BBHs。进行比较，孤立 Pop. III BBHs 的合并率密度为 $\mathcal{R}\leq{}10\,{\rm Gpc^{-3}\,yr^{-1}}$，相同 Pop. III 恒星形成历史模型。