III 族星团中包含中等质量黑洞的等级三重黑洞系统的并合

理论预言表明，在嵌入迷你暗物质晕的 III 族星团中，极高质量恒星有可能通过多次碰撞形成，并最终演化为中等质量黑洞（IMBHs）。在本研究中，我们使用 $N$ 体模拟代码 PETAR，考察了 III 族星团的长期演化，包括原初双星比例 $f_{\rm b}=0$ 和 1 的模型。我们利用 TSUNAMI 代码全面检验了星团中等级三重黑洞的现象，特别聚焦于其在后牛顿修正下的并合内双星黑洞（BBHs）。我们的发现表明，内 BBHs 含有质量量级为 $\mathcal{O}(100)M_{\odot}$ 的 IMBHs 的可能性很高，因此它们的并合率可达 $0.1{\rm Gpc}^{-3}{\rm yr}^{-3}$。一些并合内 BBHs 的轨道偏心率随时间周期性振荡，即已知的 Kozai-Lidov 振荡，由动力学扰动引起。对 mHz 引力波探测器 LISA/TianQin/Taiji 可探测的并合内 BBHs 集中在 $z<3$。更遥远的源可被 CE/ET/LIGO/KAGRA/DECIGO 探测到，它们对从 $\mathcal{O}(0.1)$Hz 到 $\mathcal{O}(100)$Hz 敏感。此外，与并合孤立 BBHs 相比，受第三体黑洞动力学扰动影响的并合内 BBHs 往往具有更高偏心率，且在 mHz 波段有显著比例的源偏心率接近 1。引力波观测将通过考察偏心率来帮助约束并合 BBHs 的形成通道，无论是通过孤立演化还是动力学相互作用。