带轨道信息的大质量黑洞并合：来自 ASTRID 模拟的预言

我们基于大体积宇宙学模拟 Astrid 考察大质量黑洞（MBH）并合及其相关的引力波信号。Astrid 包含星系形成与黑洞模型，近期更新了介于 $3\times 10^4M_{\odot}/h$ 与 $3\times 10^5M_{\odot}/h$ 之间的 MBH 种子族，以及用于追踪低至 $1.5\;\text{ckpc}/h$ 的 MBH 动力学的子网格动力学摩擦（DF）模型。我们直接从 kpc 尺度模拟计算 MBH 轨道的初始偏心率，发现多数 MBH 对在数值并合前轨道偏心率高于 $0.7$。在近似处理低于 ${\sim 200\,\text{pc}}$ 尺度的未分辨演化后，我们发现大尺度上的模拟内 DF 占据了由 DF 引起的轨道衰减总时间（$\sim 500\,\text{Myrs}$）的一半以上。双星硬化时间比 DF 时间长一个数量级，尤其对于种子质量双星（$M_\text{BH}<2M_\text{seed}$）。结果，在同时考虑未分辨 DF 演化与双星硬化后，仅有 $\lesssim20\%$ 的种子 MBH 对在 $z>3$ 并合。这些 $z>3$ 的种子质量并合寄居于恒星质量最高（>$10^9\,M_\odot$）的偏倚星系族中。基于 Astrid 给出的更高初始偏心率预言，我们估计 $z>3$ MBH 族的年并合率为 $0.3-0.7$。这比采用圆轨道假设的预言高约 $\sim 7$ 倍。LISA 事件预期以相近速率发生，其中 comprising $\gtrsim 60\%$ 种子-种子并合、$\sim 30\%$ 仅涉及一个种子质量 MBH 的并合，以及 $\sim 10\%$ 非种子 MBH 并合。