MAGICS III. 种子迅速下沉：核星团显著加速种子黑洞并合

来自大规模宇宙学模拟的大质量黑洞（MBH）种子并合率预测差异很大，最近的研究强调了低质量MBH种子无法到达星系中心的挑战，这一现象被称为种子下沉问题。在本工作中，我们通过将来自MAGICS-I与MAGICS-II再模拟套件的宇宙学模拟与星系并合模拟和高分辨率 $N$-body 模拟相结合来解决这一问题。基于MAGICS-II的发现（即只有嵌入恒星系统中的MBH种子才能下沉到中心），我们通过将核星团（NSC）纳入模型来扩展这项研究。利用多达 $10^7$ 个粒子的 $N$-body 再模拟，我们证明了NSC与其周围星系环境之间的相互作用，特别是由星团相互作用触发的潮汐力，显著加速了MBH向星系中心的下沉。这一过程导致在星系并合开始后 $\lesssim 500$ Myr 内形成硬双星。我们的结果表明，在12个模型中的8个中，周围NSC的高恒星密度增强了MBH硬化，促进了在红移 $z = 4$ 时的引力波（GW）并合。我们得出结论，在 $z > 4$ 时，致密NSC作为MBH种子并合的主要通道，在 $z = 4$ 时产生 $0.3$--$0.6\, \mathrm{yr}^{-1}$ 的并合率，这比非NSC环境高出约300--600倍。相比之下，在没有NSC的环境中，周围的暗物质在损失锥散射中发挥着更重要的作用。