在宇宙学模拟中解析超大质量黑洞三体系统的复杂演化

我们在此展示一个自洽的宇宙学 zoom-in 模拟，描述在一个复杂的多重星系并合中形成的三超大质量黑洞（SMBH）系统。该模拟使用我们代码 KETJU 的更新版本运行，该版本能够追踪 SMBH 低至数十个史瓦西半径的分离运动，同时模拟周围星系中的大尺度天体物理过程，如气体冷却、恒星形成以及恒星和 AGN 反馈。我们的模拟最初产生一个 SMBH 双星系统，其 hardening 过程被第三个 SMBH 的迟来打断。KETJU 代码能够精确模拟此类三 SMBH 系统中发生的复杂行为，包括由于强三体相互作用将一个 SMBH 抛射到星系中千秒差距尺度的轨道，以及在 SMBH 处于层级构型时因相对论性进动而被抑制的 Lidov-Kozai 振荡。一对 SMBH 在初始星系并合后约 $3\,\mathrm{Gyr}$ 发生并合，而当模拟在红移 $z=0$ 结束时，剩余的双星处于秒差距尺度的分离。我们还表明 KETJU 能够捕捉 SMBH 双星和三体系统对周围恒星族的影响，随着系统中恒星密度的演化，这会影响双星并合时标。我们的结果证明了在星系并合中动态解析多个 SMBH 复杂行为的重要性，因为此类系统无法用简单的轨道平均半解析模型轻易建模。