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自从LIGO第一次直接探测到来自双黑洞并合的引力波信号,引力波逐渐成为了人们认识宇宙,研究天体物理现象的重要手段。而致密星（包括黑洞和中子星）的并合过程成为了引力波观测的主要对象。致密双星是如何形成并且能够在宇宙年龄段内实现并合的?引力波源中包含哪些类型的双星系统?黑洞、中子星的质量和自旋是否揭示了其前身星所经历的演化过程?这些是引力波天文时代所需要回答的重要问题。在第一章我们首先介绍了如何从引力波信号中获取并合双致密星的信息,为第四章中从单个特定的引力波信号中推断双致密星的性质提供了技术支持;然后介绍了目前为止LIGO、Virgo和KAGRA探测到的一些重要引力波信号以及它们在天体物理中的一些应用;最后详细介绍了作为引力波源的致密双星的形成、演化过程,以及有望反映在引力波观测样本中的双致密星的一些族群特征。第二章的第一部分我们详细地介绍了基于引力波观测的致密星族群特征的研究方法,其中包括非参数的方法和参数化的方法。第二部分我们利用基于高斯过程的非参数方法研究了双黑洞的质量分布,发现双黑洞质量谱中有明显的结构,即在M～20-30M⊙区间内存在一个明显的峰,该结构可能是由脉动对不稳定超新星爆发留下的黑洞堆积形成,也可能为动力学俘获双黑洞群体。第三部分,我们利用参数化的模型探究双黑洞系统的质量比在不同质量段的分布。我们发现m1（双星系统中较大黑洞的质量）大于～29M⊙的双黑洞,相比m1小于～29M⊙的双黑洞,更容易形成对称的系统,这一发现意味着并合双黑洞的演化通道并非单一的,小质量的双黑洞形成可能是共包层演化通道占主导的,而大质量的双黑洞的演化通道可能为化学同质演化、动力学机制这类更容易形成对称双黑洞的机制占主导的。另外我们还发现在m1～34M⊙的峰附近的双黑洞相比其他位置的双黑洞可能有着更强的对称趋势,但目前的证据还不够强,有待进一步观测。双黑洞的不同形成方式（场双星和动力学俘获）可能会将信息蕴藏在不同质量段的自旋分布当中,因此在第二章最后部分,我们构建了双黑洞的质量和自旋的联合分布模型以探究双黑洞的族群特征。首先我们发现恒星塌缩所形成的黑洞最大质量得到了前所未有的紧密限制:mmax=39.3-2.5+2.3M⊙（90%置信区间）,最大恒星黑洞质量揭示了对不稳定超新星效应导致的高质量禁区的存在,并且紧密的限制结果还能为恒星内部的金属丰度的估计提供帮助。其次我们发现质量高于该mmax的黑洞自旋大小明显高于其他的黑洞,而同二代并合产物的自旋特征相一致;然后我们还发现动力学俘获的双黑洞中有4-17%的系统包含至少一个二代并合的黑洞;最后我们发现动力学俘获的双黑洞的自旋方向并非各向同性,这意味着动力学俘获的环境并不单一,而如AGN吸积盘这样能调制双黑洞的自旋方向的环境可能占了主导。在第三章中我们利用分层贝叶斯推断的方法对引力波观测到的至少包含一个中子星的并合双星系统进行了族群分析。我们所构建的族群模型能够同时描述中子星的质量分布和自旋分布,因为中子星的质量和自旋可能共同蕴含了它们在形成演化过程中所留下的信息,并且质量和自旋本身在参数估计的时候就有很大的简并性。我们发现虽然目前的观测样本尚不能确定中子星质量分布的具体形状,但是在1.35M⊙处可能存在一个峰,这和银河系内的中子星质量分布特征是吻合的,利用贝叶斯模型比较我们发现银河系内的中子星分布能更好地拟合引力波观测数据。同时,我们发现黑洞的质量主要分布在～5-10M⊙,这与银河系内的X-射线双星中黑洞的质量分布是吻合的。另外,我们还发现在宇宙中并合双中子星和中子星黑洞的并合率密度比值约为7:3。最后,通过模拟我们发现,未来在O4和O5阶段,100例包含中子星的并合双星引力波观测将能准确地刻画并合中子星的质量分布,这将为研究低质量致密双星的形成演化提供帮助,并且还有可能独立地限制哈勃常数。第四章我们运用了引力波参数估计的方法研究了 LIGO和Virgo探测到的一个特殊的源——GW190426152155,因为一些特殊的引力波源能对并合双致密星的形成、演化等相关的天体物理过程研究提供不同角度的数据支持。我们发现GW190426152155可能来源于中子星黑洞并合,但是也可能来自低质量的双黑洞并合。若作为中子星黑洞并合,我们发现该系统不太可能产生明亮的光学对应体;若作为低质量双黑洞并合,我们发现该系统双星均有很大的自旋以及不同于轨道角动量的自旋方向,因此GW190426152155有可能来自并合双中子星的二代并合。若不考虑两种情况的先验概率,我们发现二代并合相比中子星黑洞并合的贝叶斯因子为lnB～2。在最后一章,我对本论文的结果进行了总结,并对未来几年的引力波观测以及对致密双星形成演化过程的帮助进行了展望。