大质量黑洞种子的宇宙学模拟：对下一代电磁与引力波观测的预测

我们研究了在结构形成的宇宙学模拟中，超大质量黑洞的统计性质如何依赖于大质量种子形成的频率和条件。我们开发了一种新方法，在Illustris模拟框架内，针对几种种子形成模型（包括一个物理驱动的模型，其中黑洞种子仅在满足直接坍缩黑洞形成条件的前身星系中形成）重新计算黑洞的详细增长历史和并合树。虽然此处考虑的所有种子模型都与当前来自光学、紫外和X射线研究的黑洞族群的观测约束大致相符，但我们发现它们导致了截然不同的黑洞数密度和晕占据比例，而这些目前在观测上尚未受到约束。就未来电磁波谱观测而言，暗端类星体光度函数和低质量端黑洞-宿主星系标度关系对具体的大质量种子方案非常敏感。具体来说，直接坍缩模型展示出的种子形成效率随宇宙时迅速下降，并在低质量星系中产生的黑洞远少于原始Illustris模拟。我们进一步发现，不同种子模型的总黑洞并合率变化超过一个数量级，啁啾质量的红移演化也随之改变。因此，利用LISA和国际脉冲星计时阵列探测超大质量黑洞并合，可能为约束早期宇宙中大质量黑洞种子的形成提供最直接的手段。