星系尺度模拟中超大质量黑洞的后牛顿动力学建模

我们提出了 KETJU，它是广泛使用的平滑粒子流体动力学模拟代码 GADGET-3 的新扩展。该代码的关键特征是在每个超大质量黑洞（SMBH）周围引入了算法规则化区域。这使得在求解 SMBH、SMBH 双星及周围恒星系统在亚秒差距尺度上的动力学的同时，能够同步跟踪全局星系尺度的动力学和天体物理过程。KETJU 代码在 SMBH 的运动方程中包含了后牛顿项，这使得基于引力波并合时标的新 SMBH 并合判据成为可能，将 SMBH 的并合分离距离推低至 $\sim 0.005$ pc。我们通过与 NBODY7 和 rVINE 的比较来测试代码性能。我们建立了动力学稳定的多成分并合前身星系，以研究星系并合期间 SMBH 双星的演化。在我们的模拟样本中，SMBH 双星没有出现最终秒差距问题，我们将其归因于并合残骸的非球形形状。对于纯核球模型，硬化率随分辨率的提高而降低；而对于额外包含大质量暗物质晕的模型，SMBH 双星硬化率实际上变得与恒星核球的质量分辨率无关。SMBH 在 SMBH 双星形成后平均 200 Myr 并合。然而，SMBH 双星初始偏心率的微小差异会导致 SMBH 并合时间的巨大差异。最后，我们讨论了 KETJU 的未来前景，它允许在模拟中直接引入气体物理过程。