来自 2+2 四重系统的低质量与高质量间隙中的黑洞并合

LIGO-Virgo 观测到的黑洞(BH)双星并合之起源仍不确定,恒星 BH 质量函数的边界亦如此。恒星演化模型预言在质量 $\gtrsim 50$ M$_\odot$ 与 $\lesssim 5$ M$_\odot$ 处均缺乏 BH,从而在 BH 质量函数中留下低质量与高质量间隙。形成这些质量 BH 的自然途径是通过中子星(NS;对应低质量间隙)或较低质量 BH(对应高质量间隙)的并合;所产生的低或高质量间隙 BH 若再次与新伴星并合,便可由 LIGO-Virgo 探测到。我们表明,2+2 四重系统的演化可自然导致组份质量处于低或高质量间隙的 BH 并合。在我们的场景中,质量间隙中的 BH 源于两枚 NS 或两枚 BH 在其中一个双星内的并合,且并合产物受(各向异性引力波辐射所致的)反冲踢而触发其与四重系统另一双星组份的相互作用。该三体相互作用的结局通常是一个含质量间隙 BH 的新偏心致密双星,其可再次并合。低质量与高质量间隙中 BH 的并合率分别为 $\sim 10^{-7} - 10^{-2}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ 与 $\sim 10^{-3} - 10^{-2}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$。随着引力波探测器灵敏度的提升,对恒星 BH 质量函数的约束将很快收紧。