大质量黑洞自旋的分布与宇宙学演化

我们在等级式星系形成理论的框架下，研究了大质量黑洞（MBH）自旋的预期分布及其随宇宙时间的演化。我们的模型使用 LCDM 宇宙学中并合层级的蒙特卡洛实现，结合半解析方法，来追踪暗物质晕的并合历史、它们所容纳的 MBH 的动力学，以及它们通过气体吸积和双星并合而增长的过程。质量相当的黑洞并合会增加 MBH 的自旋，而在随机取向轨道上捕获较小伴星则会降低黑洞自旋。我们发现，考虑到层级模型中 MBH 双星质量比的分布，仅靠双星并合并不会导致 MBH 随时间的系统性自旋增加或减少：自旋分布保留了其初始条件的记忆。相比之下，由于巴丁-佩特森效应，即使自旋轴方向随时间随机变化，通过薄盘进行的气体吸积也倾向于使黑洞自旋增加。在我们的模型中，吸积主导了黑洞捕获过程，并有效地使黑洞自旋增加。自旋分布严重偏向快速旋转的克尔黑洞，在早期纪元就已形成，并且在红移 5 以下变化不大。如果吸积是通过薄盘进行的，大约 70% 的 MBH 处于最大旋转状态，其辐射效率接近 30%（假设“标准”的自旋-效率转换）。即使在吸积通过几何厚盘进行的保守情况下，大约 80% 的 MBH 的自旋参数 a/m > 0.8，吸积效率 > 12%。具有高辐射效率的快速旋转黑洞可能满足基于比较本地 MBH 质量密度与来自亮类星体的质量密度所推断出的约束（索尔坦论证）。