Six gravitational wave events have been reported by the LIGO-Virgo collaboration (LVC), five of them associated with black hole binary (BHB) mergers and one with a double neutron star (DNS) merger, while the coalescence of a black hole-neutron star (BHNS) binary is still missing. We investigate the progenitors of double compact object binaries with our population-synthesis code MOBSE. MOBSE includes advanced prescriptions for mass loss by stellar winds (depending on metallicity and on the Eddington ratio) and a formalism for core-collapse, electron-capture and (pulsational) pair instability supernovae. We investigate the impact of progenitor's metallicity, of the common-envelope parameter $\alpha{}$ and of the natal kicks on the properties of DNSs, BHNSs and BHBs. We find that neutron-star (NS) masses in DNSs span from 1.1 to 2.0 M$_\odot$, with a preference for light NSs, while NSs in merging BHNSs have mostly large masses ($1.3-2.0$ M$_\odot$). BHs in merging BHNSs are preferentially low mass ($5-15$ M$_\odot$). BH masses in merging BHBs strongly depend on the progenitor's metallicity and span from $\sim{}5$ to $\sim{}45$ M$_\odot$. The local merger rate density of both BHNSs and BHBs derived from our simulations is consistent with the values reported by the LVC in all our simulations. In contrast, the local merger rate density of DNSs matches the value inferred from the LVC only if low natal kicks are assumed. This result adds another piece to the intricate puzzle of natal kicks and DNS formation.

The first four gravitational wave events detected by LIGO were all interpreted as merging black hole binaries (BHBs), opening a new perspective on the study of such systems. Here we use our new population-synthesis code MOBSE, an upgraded version of BSE (Hurley et al. 2002), to investigate the demography of merging BHBs. MOBSE includes metallicity-dependent prescriptions for mass loss of massive hot stars. It also accounts for the impact of the electron-scattering Eddington factor on mass loss. We perform >10^8 simulations of isolated massive binaries, with 12 different metallicities, to study the impact of mass loss, core-collapse supernovae and common envelope on merging BHBs. Accounting for the dependence of stellar winds on the Eddington factor leads to the formation of black holes (BHs) with mass up to 65 Msun at metallicity Z~0.0002. However, most BHs in merging BHBs have masses <40 Msun. We find merging BHBs with mass ratios in the 0.1 - 1.0 range, even if mass ratios >0.6 are more likely. We predict that systems like GW150914, GW170814 and GW170104 can form only from progenitors with metallicity Z<=0.006, Z<=0.008 and Z<=0.012, respectively. Most merging BHBs have gone through a common envelope phase, but up to ~17 per cent merging BHBs at low metallicity did not undergo any common envelope phase. We find a much higher number of mergers from metal-poor progenitors than from metal-rich ones: the number of BHB mergers per unit mass is ~10^-4 Msun^-1 at low metallicity (Z = 0.0002 - 0.002) and drops to ~10^-7 Msun^-1 at high metallicity (Z ~ 0.02).

Searching for distinctive signatures, which characterize different formation channels of binary black holes (BBHs), is a crucial step towards the interpretation of current and future gravitational wave detections. Here, we investigate the demography of merging BBHs in young star clusters (SCs), which are the nursery of massive stars. We performed 4 × 103N-body simulations of SCs with metallicity Z = 0.002, initial binary fraction 0.4, and fractal initial conditions, to mimic the clumpiness of star-forming regions. Our simulations include a novel population-synthesis approach based on the code mobse. We find that SC dynamics does not affect the merger rate significantly, but leaves a strong fingerprint on the properties of merging BBHs. More than 50 per cent of merging BBHs in young SCs form by dynamical exchanges in the first few Myr. Dynamically formed merging BBHs are significantly heavier than merging BBHs in isolated binaries: merging BBHs with total mass up to ∼120 M⊙ form in young SCs, while the maximum total mass of merging BBHs in isolated binaries with the same metallicity is only ∼70 M⊙. Merging BBHs born via dynamical exchanges tend to have smaller mass ratios than BBHs in isolated binaries. Furthermore, SC dynamics speeds up the merger: the delay time between star formation and coalescence is significantly shorter in young SCs. In our simulations, massive systems such as GW170729 form only via dynamical exchanges. Finally ∼2 per cent of merging BBHs in young SCs have mass in the pair-instability mass gap (∼60–120 M⊙). This represents a unique fingerprint of merging BBHs in SCs.

Studying the formation and evolution of black hole binaries (BHBs) is essential for the interpretation of current and forthcoming gravitational wave (GW) detections. We investigate the statistics of BHBs that form from isolated binaries, by means of a new version of the SEVN population-synthesis code. SEVN integrates stellar evolution by interpolation over a grid of stellar evolution tracks. We upgraded SEVN to include binary stellar evolution processes and we used it to evolve a sample of $1.5\times{}10^8$ binary systems, with metallicity in the range $\left[10^{-4};4\times 10^{-2}\right]$. From our simulations, we find that the mass distribution of black holes (BHs) in double compact-object binaries is remarkably similar to the one obtained considering only single stellar evolution. The maximum BH mass we obtain is $\sim 30$, $45$ and $55\, \mathrm{M}_\odot$ at metallicity $Z=2\times 10^{-2}$, $6\times 10^{-3}$, and $10^{-4}$, respectively. A few massive single BHs may also form ($\lesssim 0.1\%$ of the total number of BHs), with mass up to $\sim 65$, $90$ and $145\, \mathrm{M}_\odot$ at $Z=2\times 10^{-2}$, $6\times 10^{-3}$, and $10^{-4}$, respectively. These BHs fall in the mass gap predicted from pair-instability supernovae. We also show that the most massive BHBs are unlikely to merge within a Hubble time. In our simulations, merging BHs like GW151226 and GW170608, form at all metallicities, the high-mass systems (like GW150914, GW170814 and GW170104) originate from metal poor ($Z\lesssim{}6\times 10^{-3}$) progenitors, whereas GW170729-like systems are hard to form, even at $Z = 10^{-4}$. The BHB merger rate in the local Universe obtained from our simulations is $\sim 90 \mathrm{Gpc}^{-3}\mathrm{yr}^{-1}$, consistent with the rate inferred from LIGO-Virgo data.

Six gravitational wave detections have been reported so far, providing crucial insights on the merger rate of double compact objects. We investigate the cosmic merger rate of double neutron stars (DNSs), neutron star-black hole binaries (NSBHs) and black hole binaries (BHBs) by means of population-synthesis simulations coupled with the Illustris cosmological simulation. We have performed six different simulations, considering different assumptions for the efficiency of common envelope (CE) ejection and exploring two distributions for the supernova (SN) kicks. The current BHB merger rate derived from our simulations spans from $\sim{}150$ to $\sim{}240$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ and is only mildly dependent on CE efficiency. In contrast, the current merger rates of DNSs (ranging from $\sim{}20$ to $\sim{}600$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$) and NSBHs (ranging from $\sim{}10$ to $\sim{}100$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$) strongly depend on the assumptions on CE and natal kicks. The merger rate of DNSs is consistent with the one inferred from the detection of GW170817 only if a high efficiency of CE ejection and low SN kicks (drawn from a Maxwellian distribution with one dimensional root mean square $\sigma{}=15$ km s$^{-1}$) are assumed.