年轻星团与孤立双星中形成的致密双星的宇宙并合率密度演化

下一代地基引力波探测器将观测到红移 $z\gtrsim{}10$ 以内的双黑洞 (BBH) 并合，从而探测致密双星 (CB) 并合随宇宙时间的演化。在此，我们提出一个新的数据驱动模型，通过将 CB 并合星表与宇宙恒星形成率密度及宇宙金属丰度演化的观测约束相结合，来估计 CB 的宇宙并合率密度 (MRD) 演化。我们采用由近期 $N-$body 和种群合成模拟得到的 CB 并合星表，以描述在年轻星团（以下称动力学 CB）和场中（以下称孤立 CB）形成的 CB 的 MRD。动力学 BBH 的本地 MRD 为 $\mathcal{R}_{\rm BBH}=64^{+34}_{-20}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$，与 LIGO-Virgo 合作组织第一次和第二次观测运行 (O1 和 O2) 的 90% 可信区间以及孤立 BBH 的本地 MRD（$\mathcal{R}_{\rm BBH}=50^{+71}_{-37}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$）一致。动力学与孤立黑洞-中子星双星的本地 MRD 分别为 $\mathcal{R}_{\rm BHNS}=41^{+33}_{-23}$ 和 $49^{+48}_{-34}$~Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$。两个值均与 O1 和 O2 推断出的上限一致。最后，动力学双中子星 (BNSs, $\mathcal{R}_{\rm BNS}=151^{+59}_{-38}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$) 的本地 MRD 比孤立 BNSs 的本地 MRD（$\mathcal{R}_{\rm BNS}=283^{+97}_{-75}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$）低一半。所有 CB 类型的 MRD 均随红移增长，在 $z \in [1.5,2.5]$ 达到最大值，随后下降。这一趋势源于宇宙恒星形成率、金属丰度演化与双星致密天体延迟时间之间的相互作用。