模拟星系与超大质量黑洞并合的多分辨率方法

最大质量黑洞（MBH）双星的并合会在脉冲星计时阵列（PTAs）的可探测频率范围 $(10^{-9} - 10^{-6})$ Hz 内释放引力波（GWs）。来自 MBH 并合的引力波的非相干叠加，即随机引力波背景（GWB），可提供关于 MBH 参数和宇宙大尺度结构的独特信息。PTAs 最近报道的 GWB 证据为研究 MBH 及其宿主星系打开了令人兴奋的新窗口。然而，GWB 的天体物理解释需要对具有统计代表性的星系并合样本的 MBH 并合时标进行准确估算。这在数值上具有挑战性：为了避免虚假弛豫和随机效应，需要高数值分辨率；而为了采样具有宇宙学代表性的体积，则需要大量模拟。在此，我们提出了一种新的多质量建模方法，以在固定粒子数下提高星系模型的中心分辨率。我们使用 Fast Multiple Method 代码 Griffin，在两种参考分辨率和两种细化方案下，追踪了宿主中心 MBH 的星系并合过程。我们表明，两种细化方案都能有效提高中心分辨率，减少虚假弛豫和随机效应。要在 MBH 影响球半径 5 倍范围内达到 $N\geq 10^{6}$ 的粒子数，才能将双星偏心率和并合时标的数值散射降低至 <30%；这一分辨率目前只有通过质量细化方案才能达到。