超大质量黑洞在紧凑高红移星系中的快速沉降与高效合并

我们 presented 对高红移紧凑前体星系阶段的 cosmology zoom-in 模拟，最重的星系在 $z=5$ 时达到恒星质量 $M_{\star}=8.5\times 10^{10}\ \mathrm{M}_{\odot}$。采用新版 KETJU 代码对超大质量黑洞（SMBHs）的动力学进行建模，从种子阶段一直模拟到亚亚秒尺度上的合并，由于引力波（GW）辐射。该代码将足够重的 SMBHs 的正规积分与较小质量 SMBHs 的动力摩擦亚网格模型相结合。本研究中包含的九个巨型星系都经历了在 $z\sim 7-9$ 红移范围内的气体主导的早期压缩阶段，起始于恒星质量 $M_\star\gtrsim 10^8\ \mathrm{M}_{\odot}$，结束于几倍于 $M_{\star}\sim 10^9\ \mathrm{M}_{\odot}$。这些紧凑系统的尺寸、质量和宽带光度总体上与利用 JWST 观察到的称为 `Little Red Dots' 的系统相符。在紧凑阶段，恒星质量和 SMBH 质量快速增长，导致中心气体分数急剧下降。然而，外围区域保持相对气体丰富，导致后续的偏中心星形成和尺寸增长。由于极高的中心恒星密度（$\rho_{\star}\gtrsim 10^{13}\,\mathrm{M_\odot/kpc^3}$），SMBHs 通常在 SMBH 二进制形成后即可在约 $4-35\ \mathrm{Myr}$ 内快速合并。将 KETJU 与现象学的 PhenomD 模型结合，可解析 SMBH 二进制通过脉冲计数组频波段的 GW 辐射演化，直至产生可被未来 LISA 任务探测到的最终几个轨道。