星系核中的双黑洞并合：对 advanced-LIGO 探测的意义

受近期从双黑洞并合 GW150914 中探测到引力波的启发，我们研究了存在大质量星团的星系核中黑洞的动力学演化。核星团质量约为 10^7~M_\{\rm Sun}，尺寸仅为几秒差距，是局部宇宙中观测到的最致密的恒星系统，代表了一个恒星质量级双黑洞可以动力学形成、硬化并并合的稳健环境。我们表明，由于其极大的逃逸速度，核星团能够保留大部分并合遗迹，同时演化得足够快，使得黑洞能够重新沉入中心区域，在那里它们可以通过交换进入新的双星系统，随后硬化并并合。这一过程可重复多次，产生类似于 GW150914 的数十倍太阳质量直至几百倍太阳质量的双黑洞并合，而无需借助极低金属丰度环境或不合理的初始条件。我们采用半解析方法描述了大质量星团中黑洞的形成与动力学。我们发现核星团中双黑洞并合的体积率约为 $1.5~{\rm Gpc}^{-3}~{\rm yr}^{-1}$，这意味着 Advanced LIGO 每年可能有多达几十次的探测。我们的模型表明，对于类似于 GW150914 的大质量双黑洞（总质量 >\sim 50~M_\{\rm Sun}，红移 $z < 0.3$），局部并合率为 $0.3$-$1~{\rm Gpc}^{-3}~{\rm yr}^{-1}$；该并合率与球状星团中动力学组装的大质量双黑洞的并合率相当。最后，我们表明，如果所有黑洞都受到较大的初始踢出（$>\sim 50~{\rm km\ s}^{-1}$），那么与球状星团中产生或通过孤立双星演化产生的类似双星相比，核星团可能在局部双黑洞并合率中占据主导地位。