[论文解读] The difficult path to coalescence: massive black hole dynamics in merging low mass dark matter haloes and galaxies

Christian Partmann, Thorsten Naab+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2023

Adaptive optics and wavefront sensingPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究利用高分辨率N体模拟，结合未软化力和后牛顿修正，研究了并合低质量暗物质晕及星系中大质量黑洞（MBH）的动力学。结果表明，低质量MBH（$\lesssim 10^5\,\mathrm{M}_\odot$）很少沉降至中心或发生并合，而较高质量MBH（$\gtrsim 10^6\,\mathrm{M}_\odot$）会触发核心扫掠，并可通过三体相互作用发生并合，尽管退行喷射和动力学喷射严重阻碍了并合辅助的种子生长。

ABSTRACT

We present a high resolution numerical study of the sinking and merging of massive black holes (MBHs) with masses in the range of $10^3 - 10^7 \, \mathrm{M}_\odot$ in multiple minor mergers of low mass dark matter halos without and with galaxies ($4 imes 10^8 \, \mathrm{M}_\odot \lesssim \mathrm{M}_{\mathrm{halo}} \lesssim 2 imes 10^{10} \, \mathrm{M}_\odot)$. The Ketju simulation code, a combination of the Gadget tree solver with accurate regularised integration, uses unsoftened forces between the star/dark matter components and the MBHs for an accurate treatment of dynamical friction and scattering of dark matter/stars by MBH binaries or multiples. Post-Newtonian corrections up to order 3.5 for MBH interactions allow for coalescence by gravitational wave emission and gravitational recoil kicks. Low mass MBHs ($\lesssim 10^5 \, \mathrm{M}_\odot$) hardly sink to the centre or merge. Sinking MBHs have various complex evolution paths - binaries, triplets, free-floating MBHs, and dynamically or recoil ejected MBHs. Collisional interactions with dark matter alone can drive MBHs to coalescence. The highest mass MBHs of $\gtrsim 10^6 M_\odot$ mostly sink to the centre and trigger the scouring of dark matter and stellar cores. The scouring can transform a centrally baryon dominated system to a dark matter dominated system. Our idealized high-resolution study highlights the difficulty to bring in and keep low mass MBHs in the centres of low mass halos/galaxies - a remaining challenge for merger assisted MBH seed growth mechanisms.

研究动机与目标

• 理解在并合低质量暗物质晕和星系中大质量黑洞（MBH）的动力学，特别关注其沉降、并合及喷射机制。
• 评估在具有低质量晕的早期宇宙类环境中，MBH种子通过并合实现生长的可行性。
• 研究动力摩擦、引力散射及引力波辐射对MBH演化与合并的影响。
• 量化MBH对中心密度分布的影响，包括核心形成及暗物质分数的变化。
• 评估三体相互作用与反冲踢动在破坏或促进MBH并合中的作用。

提出的方法

• 模拟使用Ketju代码，结合Gadget树求解器与正则化积分，以精确处理MBH与动力学相互作用。
• MBH与恒星/暗物质粒子之间的力未软化，确保动力摩擦与散射过程的精确建模。
• 包含至3.5PN的后牛顿修正，以模拟引力波驱动的硬化与反冲踢动。
• 高空间与质量分辨率（暗物质为20 M⊙，恒星为100 M⊙）可准确捕捉单个恒星与暗物质粒子的相互作用。
• 初始条件模拟了低质量晕（$4\times10^8 - 2\times10^{10}\,\mathrm{M}_\odot$）的微小并合，其中包含质量为$10^3 - 10^7\,\mathrm{M}_\odot$的MBH。
• 研究追踪了MBH在数十亿年内的演化，分析其轨道路径、双星硬化及喷射事件。

Figure 1: Dark matter surface densities (greyscale) and massive black hole (MBH) orbits (color coded) for the highest resolution ( $20\,\mathrm{M}_{\odot}$ ) simulations with orbital configuration IC1-20-5 (top row) and IC2-20-5 (bottom row) at initial time (left panels) , after $0.2\,\rm Gyr$ (midd

实验结果

研究问题

• RQ1 低质量MBH（$\lesssim 10^5\,\mathrm{M}_\odot$）能否有效沉降至低质量暗物质晕及星系的中心？
• RQ2 在低质量系统中，三体相互作用与引力波辐射在触发MBH并合中起何种作用？
• RQ3 反冲踢动如何影响低质量晕中MBH并合残余物的保留？
• RQ4 MBH在多大程度上诱导核心形成并改变恒星与暗物质组分的中心质量分数？
• RQ5 在低质量并合环境中，多个MBH的存在如何导致动力学喷射或形成长寿命双星？

主要发现

• 低质量MBH（$\lesssim 10^5\,\mathrm{M}_\odot$）很少沉降至晕中心，即使经历多次并合也极不可能发生并合。
• 质量$\gtrsim 10^6\,\mathrm{M}_\odot$的MBH能有效沉降并触发恒星与暗物质核心的扫掠，导致质量亏损最高达$\sim 10\,M_{\bullet,\rm c}$。
• 双星MBH并合极为罕见，通常需要第三个MBH激发高偏心率，使双星进入引力波驱动的并合区域。
• 引力反冲踢动常将并合残余物从低质量晕中喷射出去，尤其对非自旋MBH而言，显著降低保留效率。
• 在极端情况下，MBH引发的核心扫掠可使原本以重子物质为主导的中心区域转变为以暗物质为主导的系统。
• 核心质量亏损与MBH沉降事件数近似呈线性关系，与Merritt（2006）的预测一致。

Figure 2: Radial distances of all MBHs (colored lines) from the dark matter density centre of the systems as a function of time. From top to bottom, the central MBH mass increases by factors of 10 from $M_{\bullet,\rm c}=10^{3}\,\mathrm{M}_{\odot}$ to $10^{7}\,\mathrm{M}_{\odot}$ (indicated by the g