大质量双星与宇宙演化对引力波观测的影响 I：黑洞-中子星并合

随着近期 GW200105 与 GW200115 的宣布，黑洞-中子星（BHNS）双星并合现已被引力波（GW）探测器观测到。此类观测不仅证实这些系统存在，还将对大质量恒星的死亡、双星系统的演化及其与伽马射线暴、$r$ 过程增丰与千新星的可能关联提供独特见解。在此，我们对孤立 BHNS 系统进行双星种群合成，以呈现其对地面 GW 天文台的并合率与特征。我们给出了 420 种不同模型排列的结果，探索了关于大质量双星演化（如质量转移、公共包层演化、超新星）与金属度特异性恒星形成率密度的关键不确定性假设，并刻画了它们对我们预测的相对影响。我们发现，在全部假设范围内，内禀本地 BHNS 并合率为 $\mathcal{R}_{\rm{m}}^0 \approx 4$-$830\,\rm{Gpc}^{-3}\,\rm{yr}^{-1}$。这涵盖了近期 BHNS 引力波探测推断的率，并将在 LIGO、Virgo 与 KAGRA 设计灵敏度组成的 GW 网络下产生 $\mathcal{R}_{\rm{det}} \approx 1$-$180\, \rm{yr}^{-1}$ 的探测率。我们发现双星演化与金属度特异性恒星形成率密度各自对预测并合率的影响均为 $\mathcal{O}(10)$ 量级。我们还呈现了 GW 探测 BHNS 并合属性的预测，发现全部 420 种模型变体均预测 $\lesssim 5\%$ 的 BHNS 并合具有 $\gtrsim 18\,M_{\odot}$ 的黑洞质量、$\gtrsim 20\,M_{\odot}$ 的总质量、$\gtrsim 5.5\,M_{\odot}$ 的啁啾质量、$\gtrsim 12$ 或 $\lesssim 2$ 的质量比。此外，我们发现大质量中子星 $\gtrsim 2\,M_{\odot}$ 预期在几乎所有模型变体下的 BHNS 并合中均被普遍探测到。