We study the long term dynamical evolution of stellar mass black holes (BHs) at the Galactic center (GC) and put constraints on their number and central mass distribution. Models of the GC are considered that have not yet achieved a steady state under the influence of random gravitational encounters. Contrary to some recent claims that mass-segregation can rapidly rebuild a density cusp in the stars, we find that time scales associated with cusp regrowth are longer than the Hubble time. These results cast doubts on standard models that postulate high densities of BHs near the GC and motivate studies that start from initial conditions which correspond to well-defined physical models. For the first time, we consider the distribution of BHs in a dissipationless formation model for the Milky Way nuclear cluster (NC), in which massive stellar clusters merge in the GC to form a nucleus. We simulate the successive inspiral of massive clusters containing an inner dense cluster of BHs. The pre-existing mass segregation is not completely erased as the clusters are disrupted by the massive black hole tidal field. As a result, after 12 inspiral events a NC forms in which the BHs have higher central densities than the stars. After evolving the model for 5-10 Gyr, the BHs do form a steep central cusp, while the stellar distribution maintains properties that resemble those of the Milky Way NC. Finally, we investigate the effect of BH perturbations on the motion of the GC S-stars, as a means of constraining the number of the perturbers. We find that reproducing the S-star orbital distribution requires >~1000 BHs within 0.1 pc of Sgr A*. A dissipationless formation scenario for the Milky Way NC is consistent with this lower limit and therefore could reconcile the need for high central densities of BHs (to explain the orbits of the S-stars), with the missing-cusp problem of the GC giant star population.
Probing supermassive stars and massive black hole seeds through gravitational wave inspirals
我们提出了一个新的引力波发射源：原始超大质量恒星内部致密碎片的螺旋辐射。这样的系统被认为是超大质量黑洞（SMBH）形成过程中的一个重要通道，但人们对此知之甚少。一个模型表明，在原子冷却的原始晕中，$0.1$-1 M $_\odot$ /yr的高吸积率可能导致核燃烧SMS的形成。这最终将通过相对论不稳定性发生坍缩，留下巨大的BH残留物。最近的模拟表明，超大质量恒星很少单独形成，而伴星甚至形成的黑洞可能会被捕获/吸积，并由于气体动力学摩擦而螺旋进入SMS核心。在这里，我们探讨了从这样的吸气产生的GW发射，这可能会探测SMS的形成和演化和第一个超大质量黑洞的种子。我们使用一个半解析的气体动力学摩擦模型的吸气在SMS来表征其属性。我们发现这样的来源可能是潜在的观察到即将到来的空间出生的GW探测器在其形成的红移与引力透镜的好处。密切相关的准恒星合并可能会产生更强的信号，尽管从其他高z事件中消除这种事件可能具有挑战性。
The fingerprint of primordial mass segregation on the tidal tails of star clusters
Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS)（基础科学高等研究院）；Helmholtz-Institut für Strahlen-und Kernphysik (HISKP), Universität Bonn（波恩大学赫尔霍兹辐射与核物理研究所）；Institute for Research in Fundamental Sciences (IPM)（伊朗基础科学研究院）；Center for International Scientific studies and Collaborations (CISSC), Ministery of Science, Research and Technology（科技研究部国际科研合作中心）；Faculty of Computer and Information Science, University of Ljubljana（卢布尔雅那大学计算机与信息科学学院）
From S2 to LISA: Astrometric Bounds on Extreme-Mass-Ratio Inspirals and Bursts
CERN（欧洲核子研究中心）；Dipartimento di Fisica, “Sapienza” Università di Roma & Sezione INFN Roma1（罗马第一大学物理系与INFN罗马第一分部）；Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
Pairing of Massive Black Holes in Merger Galaxies Driven by Dynamical Friction
出于对大质量黑洞（MBH）对在千秒差距的观测搜索，我们开发了一个半解析模型来描述它们的轨道演化的影响下，恒星和气体动力学摩擦（DF）。这项研究的目的是确定合并残余星系和MBH的性质如何影响形成距离< 1 pc的紧密MBH对的可能性和时间尺度。我们计算了大约40,000种配置，涵盖了广泛的宿主星系的属性，并研究了它们对不等质量MBH对轨道演化的影响。我们发现，在气体质量分数为10^6太阳质量和质量比> 1/4的残余星系中，在哈勃时间内MBH配对的百分比大于80%< 20% and in galaxies hosting MBH pairs with total mass >。在这些星系中，以最快形成紧密的引力束缚MBH为特征的残余星系具有以下一个或多个性质：（1）大的恒星隆起，（2）质量相当的MBH和（3）星系气体盘以接近圆周速度旋转。在这样的星系中，具有最短螺旋时间的MBH，可能是合并MBH的祖先，要么在圆形的逆行轨道上，要么在非常偏心的逆行轨道上。我们的模型还表明，具有相反性质的残余星系，主机缓慢演变的MBH对，是最有可能的主机双活动星系核在千秒差距。
The MEGaN project II. Gravitational waves from intermediate mass- and binary black holes around a supermassive black hole
本文研究了大质量星团群沉积在超大质量黑洞附近的中等质量黑洞、恒星黑洞和双星黑洞的演化。恒星黑洞在SMBH周围迅速分离，形成极端质量比的吸气，并以$Γ= 0.02-0.2$ yr $^{-1}$ Gpc $^{-3}$的速率在红移$z=0$处合并。一些围绕SMBH运行的IMBH有利于在哈勃时间内合并的大质量对的形成，这是该通道$Γ=0.03$ yr $^{-1}$ Gpc $^{-3}$的合并率。合并后的反冲可以将残余物从星系中心喷射出去，特别是在矮星系中。我们的研究结果表明，这种机制可以导致高达$10^5$喷射SMBH在1 Gpc。IMBH与同一簇中的几个单一和二元BH共存可以显著影响它们的演化，要么驱动二元破坏，产生中等质量比的吸气（合并率$Γ=9.5$ yr $^{-1}$ Gpc $^{-3}$），要么促进BHB聚结（$Γ=2-8$ yr $^{-1}$ Gpc $^{-3}$）。在一些模拟中，SMBH促进BHB聚结，导致该过程的合并速率为$Γ=1$ yr $^{-1}$ Gpc $^{-3}$。我们注意到，在星系核中经历合并的BHB可能被错误地估计为比实际重的$\sim 30\%$，这是因为SMBH周围的快速运动引起的波频率的多普勒频移。我们所有的模拟都是使用$N$体代码进行的，该代码专门用于处理近距离接触和后牛顿动力学，其中还包括粒子运动方程中的星系场和动力学摩擦。
Stellar-mass black holes in young massive and open stellar clusters and their role in gravitational-wave generation III: dissecting black hole dynamics
On the Origin of GW190521-like events from repeated black hole mergers in star clusters
LIGO和Virgo已经报告了GW 190521的检测，来自一个总质量为$150$ M $_\odot$的二元黑洞（BBH）的合并。虽然目前的恒星模型将任何黑洞（BH）残余物的质量限制在$40 - 50$ M $_\odot$左右，但在致密星团的核心，通过反复合并，可以动态地产生更大质量的BH。这个过程受到反冲反冲（由于引力辐射的各向异性发射）的限制，这些反冲被赋予合并残余物，这些残余物可以逃离母星系团，从而终止增长。我们研究了主集群的金属丰度和逃逸速度的积累大规模BH通过重复合并的作用。几乎独立的主机金属丰度，我们发现，BBH约$150$ M $_\odot$可以动态地形成在任何星团逃逸速度$\gtrsim 200$ km s $^{-1}$，发现在银河系核星团以及最大质量的球状星团和超级星团。使用仅吸气波形，我们计算了不同的初级质量（$\ge 60$ M $_\odot$）作为次级质量的函数的检测概率，发现检测概率随着次级质量的增加而增加，随着初级质量和红移的增加而减小。未来更多的大规模BBH合并的检测将是根本的重要性，了解大规模BH的增长，通过动力学和中等质量BH的形成。
