受 JWST 观测约束的大质量黑洞合并引力波预测

大质量黑洞通过气体吸积和并合事件增长，可通过电磁 (EM) 和引力波 (GW) 发射进行观测。詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 探测到了微弱的活跃星系核 (AGN)，揭示了一个质量在 $M_\bullet\sim 10^{6-8}~M_\odot$ 范围内的丰富黑洞群体。该质量范围与天基引力波干涉仪的探测范围重叠，并接近预测的种子黑洞质量上限。我们根据 JWST 的发现对黑洞质量增长进行建模，以研究其形成通道。考虑了两种类型的种子黑洞：在稀有高密度宇宙区域形成的重种子 ($M_\bullet\sim 10^{2-5}~M_\odot$)，以及在密度较低的暗物质晕中形成的轻种子 ($M_\bullet\sim 10^{1-3}~M_\odot$)。黑洞通过周期性吸积和并合事件增长，我们通过拟合包括 JWST 在 $z\sim5$ 观测到的 AGN 在内的观测数据来构建该模型。我们发现，仅靠重种子无法同时解释类星体和 JWST 探测到的暗弱 AGN，需要更丰富的轻种子。仅由重种子产生的观测并合率在 $z\geq5$ 时限制在 $\lesssim 10^{-1}~{\rm yr}^{-1}$ 以内。然而，轻种子的存在使主要并合率提高了几个数量级，在 $5<z<10$ 范围内，总黑洞质量约为 $M_\bullet\simeq 2\times 10^3~M_\odot$ 时达到峰值，速率约为 $30~{\rm yr}^{-1}$。这些事件可被未来的引力波天文台（如激光干涉空间天线 LISA）探测到。对这些引力波事件的精确天空定位和距离测量（立体角和光度距离不确定度 $\Delta\Omega\Delta\log D_L \lesssim 10^{-4}~\rm deg^2$）将有助于在电磁波段识别 $z\geq5$ 的并合事件，从而实现多信使跟踪观测。