通过化学均匀演化形成大质量快速自转双黑洞前身星——GW231123 案例

在迄今报告的逾 200 例引力波探测中，GW231123 是一个引人注目的事件，它不仅创下了最重黑洞并合的纪录，还展现出极端的自旋。其起源正受到热烈讨论。提出的情景包括涉及一系列并合的动力学形成、第三星族星、AGN 盘中的吸积，以及包括原初黑洞和宇宙弦在内的更具异类色彩的解释，且各自面临不同挑战。近期工作表明，GW231123 的入射黑洞可由大质量、快速自转的坍缩氦星形成。在此，我们探讨如何在极近双星系统中形成此类极大质量且快速自转的氦星。为此，我们探索了涉及成对不稳定质量隙之上前身星的化学均匀演化（CHE）。我们使用恒星演化代码 MESA 计算了一组详细的大质量双星模型网格，以追踪双星前身星的早期演化，并表明：(i) 低金属丰度（$Z=10^{-5}$）下极大质量（$M_i > 140\, M_\odot$）的 CHE 双星自然产生具有高质量和高自旋的快速自转前身星，与 GW231123 中黑洞的性质相符；(ii) 前身星的最大自旋受其临界自转速率约束，导致在无氢剩余的模型中，无量纲自旋与质量之间存在紧密关联 $a \propto M^{-0.9}$。我们得出结论，CHE 通道似乎是产生前身星的一种可行且自然的情景。我们比较并讨论了与早期研究的差异，并就最终命运与坍缩的巨大不确定性进行了评述。