层级合并巨型星系中三体黑洞系统的动力学

拥有恒星 bulge 的星系通常被观测到搭载超大质量黑洞 (SMBH)。因此，星系的层级合并应导致 SMBH 二进制的形成。与少量气体的旧巨型星系合并有助于形成低密度的核区，其中预期 SMBH 二进制能够在较长时间内存活。如果二进制寿命超过典型的合并间隔时间，那么三体 SMBH 系统可能形成。我们通过计算具有物理动力学初始条件的 3 体轨道系列来研究巨型椭圆星系核区中近似三体 SMBH 相遇的统计情况。我们的模拟包括由恒星 bulge 加上暗物质 halo 组成的光滑背景势，以及对恒星和暗物质的引力辐射和动力摩擦力，以及 SMBHs 对内层密度轮廓在加热和质量喷射下的时间演化的简单模型。我们发现，在约 85% 的模拟中，二进制对由于反复近距离相遇而发生合并；在约 15% 的情况下，来自第三个 SMBH 和二进制残余体的新偏心二进制形成并在仿真时间内合并。在约 40% 的情况下，最轻的黑洞被留在星系 halo 中漂移或逃离星系，但三个 SMBH 同时逃离的几率极小。三体系统通常会凿出质量缺乏约 1-2 倍其总质量的核心，这有助于解释某些巨型椭圆星系（如 M87）中观察到的大尺寸核心。我们仿真中的高合并率、极高偏心轨道的普遍性以及近距离相遇期间的引力辐射“尖峰”，或许为未来激光干涉空间天文台 (LISA) 的观测提供了有趣的信号。