The merging black hole (BH) binaries GW190412, GW190814, and GW190521 from the third LIGO/VIRGO observing run exhibit some extraordinary properties, including highly asymmetric masses, significant spin, and component mass in the ‘mass gap’. These features can be explained if one or both components of the binary are the remnants of previous mergers. In this paper, we explore hierarchical mergers in multiple stellar systems, taking into account the natal kick and mass-loss due to the supernova explosion (SN) on each component, as well as the merger kick received by the merger remnant. The binaries that have survived the SNe and kicks generally have too wide orbital separations to merge by themselves, but can merge with the aid of an external companion that gives rise to Lidov–Kozai oscillations. The BH binaries that consist of second-generation BHs can also be assembled in dense star clusters through binary interactions. We characterize the parameter space of these BH binaries by merger fractions in an analytical approach. Combining the distributions of the survived binaries, we further constrain the parameters of the external companion, using the analytically formulated tertiary perturbation strength. We find that to produce the three LIGO/VIRGO O3 events, the external companions must be at least a few hundreds M⊙, and fall in the intermediate-mass BH and supermassive BH range. We suggest that GW190412, GW190814, and GW190521 could all be produced via hierarchical mergers in multiples, likely in a nuclear star cluster, with the final merger induced by a massive BH.

中文翻译：

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多系统中的分级黑洞合并：约束GW190412-、GW190814-和GW190521-like事件的形成

来自第三次 LIGO/VIRGO 观测运行的合并黑洞 (BH) 双星 GW190412、GW190814 和 GW190521 表现出一些非凡的特性，包括高度不对称的质量、显着的自旋和“质量间隙”中的分量质量。如果二进制文件的一个或两个组成部分是先前合并的残余，则可以解释这些特征。在本文中，我们探讨了多个恒星系统中的分层合并，考虑到每个组件上的超新星爆炸 (SN) 引起的本命反冲和质量损失，以及合并残余物接收到的合并反冲。在超新星和冲击中幸存下来的双星通常具有太宽的轨道间隔而无法自行合并，但可以在引起 Lidov-Kozai 振荡的外部伴星的帮助下合并。由第二代 BH 组成的 BH 双星也可以通过双星相互作用组装成密集的星团。我们通过分析方法中的合并分数来表征这些 BH 二进制文件的参数空间。结合幸存的双星的分布，我们进一步约束外部伴星的参数，使用解析公式化的三次摄动强度。我们发现，要产生三个 LIGO/VIRGO O3 事件，外部伴星必须至少有几百 M⊙，并且落在中等质量 BH 和超大质量 BH 范围内。我们认为 GW190412、GW190814 和 GW190521 都可以通过多次分层合并产生，可能在核星团中，最终合并由巨大的 BH 引起。我们通过分析方法中的合并分数来表征这些 BH 二进制文件的参数空间。结合幸存的双星的分布，我们进一步约束外部伴星的参数，使用解析公式化的三次摄动强度。我们发现，要产生三个 LIGO/VIRGO O3 事件，外部伴星必须至少有几百 M⊙，并且落在中等质量 BH 和超大质量 BH 范围内。我们认为 GW190412、GW190814 和 GW190521 都可以通过多次分层合并产生，可能在核星团中，最终合并由巨大的 BH 引起。我们通过分析方法中的合并分数来表征这些 BH 二进制文件的参数空间。结合幸存的双星的分布，我们进一步约束外部伴星的参数，使用解析公式化的三次摄动强度。我们发现，要产生三个 LIGO/VIRGO O3 事件，外部伴星必须至少有几百 M⊙，并且落在中等质量 BH 和超大质量 BH 范围内。我们认为 GW190412、GW190814 和 GW190521 都可以通过多次分层合并产生，可能在核星团中，最终合并由巨大的 BH 引起。我们使用解析公式的三次扰动强度进一步约束外部伴星的参数。我们发现，要产生三个 LIGO/VIRGO O3 事件，外部伴星必须至少有几百 M⊙，并且落在中等质量 BH 和超大质量 BH 范围内。我们认为 GW190412、GW190814 和 GW190521 都可以通过多次分层合并产生，可能在核星团中，最终合并由巨大的 BH 引起。我们使用解析公式的三次扰动强度进一步约束外部伴星的参数。我们发现，要产生三个 LIGO/VIRGO O3 事件，外部伴星必须至少有几百 M⊙，并且落在中等质量 BH 和超大质量 BH 范围内。我们认为 GW190412、GW190814 和 GW190521 都可以通过多次分层合并产生，可能在核星团中，最终合并由巨大的 BH 引起。