星系核并合中大质量黑洞与气体动力学 I. 数值实现

已知自适应网格细化（AMR）代码在处理大质量粒子（如代表大质量黑洞MBH的粒子）时存在数值问题。在演化背景中，它们可能经历强烈的虚假扰动，随后遵循非物理轨道。我们通过数值模拟研究了星系主并合后快速剧烈演化的气体和恒星背景中一对MBH的动力学演化。我们确认虚假数值效应改变了AMR模拟中的MBH轨道，并表明数值问题最终源于模拟过程中空间分辨率的急剧下降，极大降低了引力计算的精度。因此，我们提出了一种适用于大质量粒子的新细化准则，能够快速且精确地求解其在高度动力学背景中的轨道。我们设计的新细化准则强制每个大质量粒子周围的区域保持在允许的最大分辨率，独立于局部气体密度。这些最大分辨率区域随后跟随MBH沿其轨道运行，有效避免了由分辨率变化引起的所有虚假效应。我们的一套高分辨率自适应网格细化流体动力学模拟，包括不同的亚网格气体物理方案，表明新细化实现具有不改变MBH物理演化的优势，能够计入剧烈动力学场景中发生的所有非平凡物理过程，如星系主并合的最终阶段。