基于宇宙学 N 体模拟的黑洞增长

(摘要删节) 我们利用高分辨率宇宙学 N 体模拟，研究从红移 49 到 0 的中等质量至超大质量黑洞的增长过程。我们追踪黑洞从第三星族星种子增长到质量范围在 $10^3 < M < 10^7$ Msun 的黑洞——并非类星体，而是中等质量黑洞 (IMBH) 到低质量超大质量黑洞 (SMBH)。这些较低质量的黑洞是激光干涉空间天线 (LISA) 的主要观测目标。模拟准确追踪了黑洞直至 1 kpc 尺度的大尺度动力学；此后，我们通过解析方法追踪从最后阶段的动力学摩擦到黑洞并合的过程。我们发现，在 $8 < z < 11$ 之间，这些黑洞的并合率约为 $R \sim 25$ 每年，而在 $z=3$ 时为 $R = 10$ 每年。在并合发生之前，incoming IMBH 可能被下一代 X 射线望远镜观测为超亮 X 射线源 (ULX)，在 $1 < z < 5$ 范围内发生率约为每年 3 至 7 次。我们建立了一个解析公式，涵盖了最重要的黑洞增长机制：星系并合驱动的气体吸积和黑洞并合。利用该公式，我们发现银河系类型星系中心的 SMBH 在 $z = 4.7$ 时已形成其大部分质量，且大部分增长是由主要并合激发的气体吸积驱动的。截至 $z=0$，仍有数百个黑洞未能与 SMBH 并合，其中一些质量达 10000 Msun，在暗物质晕内轨道运行，光度高达约 30000 Lsun。这些 X 射线源很容易在约 100 kpc 处被钱德拉 (Chandra) 望远镜观测到。