$N$体模拟中原初黑洞的成团动力学

我们通过使用牛顿 $N$ 体代码进行超过 5000 次模拟，从复合时期演化至现今，探索了暗物质（DM）可由近似恒星质量原初黑洞（PBHs）团的非均匀背景解释的可能性。我们计算了团簇的蒸发率，并提取了双星与合并子种群及其母系与合并树历史、寿命和形成率；动力学与轨道参数分布、质量分层与动力学摩擦程度，以及密近相遇的功率谱。总体而言，我们发现 PBHs 可构成可行的 DM 候选者，且其成团性在宇宙历史中呈现出丰富现象学。我们表明，双星系统现今约占所有 PBHs 的 9.5%，质量比为 $\bar{q}_{\rm B} = 0.154$，总质量为 $\bar{m}_{\rm T,\,B} = 303\,M_\odot$。合并 PBHs 很稀少，现今约占所有 PBHs 的 0.0023%，质量比为 $\bar{q}_{\rm B}= 0.965$，总质量与啁啾质量分别为 $\bar{m}_{\rm T,\,B}= 1670\,M_\odot$ 和 $\bar{m}_{c,{\rm M}} = 642\,M_\odot$。我们发现团簇膨胀与蒸发导致这些 PBHs 形成约 1 kpc 的泡状结构，现今包含约 36% 的物体与质量，具有百 pc 大小的核。我们还发现这些 PBH 子晕分布于约数百 kpc 的更宽 PBH 晕中，包含约 63% 的物体与质量，与星系晕尺寸一致。我们最后发现大质量黑洞（$M \sim 1000\,M_\odot$）的密近相遇率高，为 $\Gamma^{\mathrm{S}} = (1.2^{+5.9}_{-0.9}) \times 10^{7} \mathrm{yr^{-1} Gpc^{-3}}$，合并率为 $\Gamma^{\mathrm{M}} = 1337 \pm 41 \mathrm{yr^{-1} Gpc^{-3}}$。