超大质量黑洞演化的半经验框架: 突显人口统计学与引力波背景之间的潜在张力
宇宙学与河外天体物理
2025-12-05 v2
摘要
超大质量黑洞 (BH) 种群在宇宙时代中的演化仍是现代天体物理学中亟待解决的核心问题,由于涉及的物理过程存在诸多显著不确定性,且跨越巨大的空间、时间和能量尺度.本文通过一种半经验方法,以最小假设和数据驱动的方式进行建模.该方法基于连续方程和 Smoluchowski 方程框架,统一描述了 BH 增长的两种主要模式:气体吸积和二体合并.针对后者相关的关键量,通过经验参数化并在贝叶斯框架下受约束,联合利用局部 BH 质量函数、较大尺度 BH 聚类以及来自脉冲星时序阵列 (PTA) 实验测得的纳-Hz 随机引力波 (GW) 背景的观测估计值.我们发现,BH 吸积相关参数强烈依赖于局部 BH 质量函数的确定:后者若归一化更高且高质量斜率更平缓,则暗示其辐射效率和平均 Eddington 比率更低,且红移演化更强烈.此外,二体 BH 合并率估计为不到银河合并率 (来自银河对数目计数) 的 倍,且受到约 的约束.相关地,我们指出了当前对 BH 人口统计学约束与 PTA 实验测得的纳-Hz GW 背景解释为主要由二体 BH 合并引起之间的潜在张力.具体而言,我们将后者在约 意义下对其贡献限制在 范围内,这表明需要引入额外的天体物理或宇宙学来源来解释 PTA 实验测得信号的剩余部分.
引用
@article{arxiv.2507.15436,
title = {Semi-empirical Framework of Supermassive Black Hole Evolution: Highlighting a possible tension between Demographics and Gravitational Wave Background},
author = {Andrea Lapi and Francesco Shankar and Michele Bosi and Daniel Roberts and Hao Fu and Karthik M. Varadarajan and Lumen Boco},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.15436},
year = {2025}
}
备注
55 pages, 14 figures. Accepted by JCAP