近日，中国科学院紫金山天文台范一中研究员领衔的研究团队利用引力波探测器阵列LIGO-Virgo-KAGRA的GWTC-3观测数据来研究并合黑洞的形成问题，揭示了恒星塌缩形成和重复并合形成的两类黑洞的分布特征。研究成果以“Resolving the stellar-collapse and hierarchical-merger origins of the coalescing black holes ”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

目前，LIGO-Virgo-KAGRA已经探测到大约70例高置信度双黑洞并合事件。然而，这些黑洞的天体物理学起源依然悬而未决。它们中的大多数被认为起源于恒星坍缩，有些可能是先前并合的产物，可靠地区分这两组子类具有挑战性。

紫金山天文台引力波天文研究团队提出了一种新的数据驱动的种群统计模型，该模型考虑了黑洞的质量和自旋分布之间的相关性，有利于解析不同起源黑洞的子类。研究团队将这种方法应用于最新的GWTC-3数据，成功地揭示了自旋大小和质量分布区别显著的两个子类。其中，大质量/高自旋黑洞子群的典型特征是自旋大小约为0.7，与双黑洞并合形成产物的特征一致。质量较小/低自旋的黑洞子群在质量大约为40个太阳质量处存在一个截止，这与“对不稳定超新星”爆炸的理论预测高度吻合（见图1）。该研究不仅成功地揭示了并合黑洞的起源，还为研究宇宙膨胀提供了新途径。

论文共同第一作者为紫金山天文台博士后李银杰和浙江工业大学王远瞩博士，通讯作者为紫金山天文台范一中研究员，紫金山天文台博士后唐少鹏为共同作者。该工作得到了国家自然科学基金项目及新基石基金会（科学探索奖）的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.051401

图1、LIGO/Virgo探测到黑洞的质量与自旋的分布情况，其中的下标1与2分别代表一次并合引力波事件中质量较大和较小的黑洞（图中的黑点和橙色点分别代表其中值）。显而易见，这些黑洞分为两类，一类黑洞质量较小、自旋较小；而另一类黑洞的质量较大，自旋大约为0.7。前者与恒星塌缩形成的黑洞一致，而后者与较小黑洞并合形成的黑洞产物一致。图取自Li et al. (2024 PRL).