宇宙学模拟中超大质量黑洞的自旋演化与反馈

众所周知，超大质量黑洞与其宿主星系的性质通过标度关系相关联。尽管流体动力学宇宙学模拟已开始考虑黑洞与星系的共同演化，它们通常忽略黑洞自旋，即便其可能在调节黑洞增长与反馈中起重要作用。在此，我们在移动网格代码 {\small AREPO} 中引入一种黑洞自旋演化的新子网格模型，以提升星系形成模拟中黑洞建模的物理保真度。我们考量若干不同的自旋演化通道，特别是通过 Shakura-Sunyaev $\alpha$-盘的吸积、混沌吸积以及黑洞并合。对于黑洞反馈，我们扩展 IllustrisTNG 模型——该模型考虑两种不同黑洞反馈模式，即高吸积态的热类星体模式与低 Eddington 比下的动能模式——以自洽计入自旋相关的辐射效率从而反馈强度。我们发现，质量 $M_{\rm{bh}}\lesssim 10^{8}\, {\rm M}_\odot$ 的黑洞达到高自旋值，因为它们通常在相干气体吸积机制中演化。另一方面，质量 $M_{\rm{bh}}\gtrsim 10^{8}\, {\rm M}_\odot$ 的黑洞自旋较低，因为黑洞并合变得更频繁，且其吸积盘因自引力而碎裂，诱发混沌吸积。我们还探讨了类星体与动能反馈模式间的转变由黑洞吸积盘自身的吸积模式介导的假设，即当吸积盘进入自引力机制时激活动能反馈模式。我们发现，此方法下的星系与黑洞族群与无自旋演化的基准 TNG 模型高度一致。此外，我们的新方法缓解了原始 TNG 模型在星系形态—颜色关系上的张力。