宇宙早期多黑洞的并合

我们对早期宇宙纪元原初气体中多黑洞（BHs）的并合进行数值模拟。我们考虑两种黑洞质量情况：$M_{BH} = 30 M_{\odot}$ 和 $M_{BH} = 10^4 M_{\odot}$。注意力集中于宿主对象中气体动力学摩擦的效应。模拟包含了近心点进动和引力波辐射等广义相对论效应。结果，我们发现多黑洞能够在 100 Myr 内于广泛的黑洞密度范围内并合为单个黑洞。并合机制被揭示为三类：气体拖曳驱动并合（A型）、相互作用驱动并合（B型）和三体驱动并合（C型）。我们发现并合机制与初始黑洞轨道内气体质量（$M_{gas}$）和总黑洞质量（${\Sigma}M_{BH}$）之比的关系。若 $M_{gas} \gtrsim 10^5 {\Sigma}M_{BH}$ 发生 A 型并合，若 $M_{gas} \lesssim 10^5 {\Sigma}M_{BH}$ 为 B 型，若 $M_{gas} \ll 10^5 {\Sigma}M_{BH}$ 为 C 型。假设基于最近第一代恒星数值模拟的气体和黑洞密度，来自第一代恒星的所有黑洞残骸很可能通过 B 或 C 型机制并合为单个黑洞。此外，我们发现若气体密度高于 $5\times 10^6$ cm$^{-3}$，分布在数秒差距上的多个大质量黑洞（$M_{BH} = 10^4 M_{\odot}$）可通过 B 型机制并合为单个黑洞。本结果暗示黑洞并合可能对高红移时期超大质量黑洞的形成有显著贡献。