Multi-messenger approaches to binary supermassive black holes in the "continuous-wave" regime
脉冲星计时阵列对轨道间距<< 1pc的超大质量黑洞（SMBH）双星的引力波十分敏感。目前，这类系统的观测资料很少，尽管它们是研究星系演化、合并动力学和活跃核形成的核心人物。我们回顾了通过电磁辐射过程探测SMBH双星的前景，这些过程被认为与星系合并和后期双星演化有关。然后，我们讨论了这些系统的联合脉冲星定时和电磁研究的科学目标，包括促进二进制参数估计，确定星系主机的引力波发射器，并合并动力学和宇宙学的相关研究。使用即将到来的高精度定时阵列与国际脉冲星定时阵列和平方公里阵列，结合正在进行的电磁观测活动，以确定活跃的SMBH双星，在不久的将来为多信使天体物理学提供了大量的可能性。
2013-08-20 astro-ph.CO astro-ph.HE
Consistency of JWST Black Hole Observations with NANOGrav Gravitational Wave Measurements
本文提出将NANOGrav等PTA发现的纳赫兹引力波解释为SMBH双星通过环境相互作用和引力波辐射损失能量，从而统一解释JWST观测到的早期宇宙SMBH丰度与双AGN比例之谜，并预测LISA等探测器可观测到相关信号。
2024-05-05 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Enhanced off-center stellar tidal disruptions by supermassive black holes in merging galaxies
偏心恒星潮汐破裂耀斑被认为是探测各向异性引力波辐射导致的超大质量黑洞反冲出星系中心的有力工具。然而，离中心的潮汐耀斑也可以由合并星系中的SMBH产生。在本文中，我们计算了两个合并星系中的双SMBH在SMBH成为自引力束缚之前的潮汐耀斑率。我们采用了一个分析模型来计算两个SMBHs的潮汐损失锥喂养率，考虑到两体松弛的恒星，潮汐扰动的同伴星系，和混乱的恒星轨道在三轴引力势。结果表明，对于质量为10 ^7 M_ \sun的典型SMBH，亏损锥的馈送率在合并后可提高到10^{-2} yr^{-1}，比孤立星系中单个SMBH的馈送率高出两个数量级，比反冲SMBH的馈送率高出四个数量级.这种增强主要是由于伴星系的潮汐扰动。我们认为，偏离中心的潮汐耀斑被淹没的合并星系，使识别反冲SMBHs的挑战。基于计算的速率，我们估计的相对贡献的潮汐耀斑事件的单，二进制，和双SMBH系统在宇宙时间。我们的计算表明，合并星系中的非束缚SMBH的偏心潮汐破裂耀斑贡献的一小部分可比的孤立星系中的单个SMBH。我们的结论是，偏离中心的潮汐中断的合并历史的星系和SMBHs的强大的示踪剂。
2013-03-23 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Formation and Hardening of Supermassive Black Hole Binaries in Minor Mergers of Disk Galaxies
我们第一次完整的轨道演化模型的一对超大质量黑洞（SMBHs）在一个1：10星系合并的两个磁盘占主导地位的气体丰富的星系，从之前的阶段形成的二进制到发病的引力波发射时，二进制分离已经缩小到1毫秒差距。用于演化第一阶段的高分辨率平滑粒子流体动力学（SPH）模拟包括恒星形成，SMBH上的吸积以及超新星爆炸的反馈和SMBH本身的辐射加热。使用直接的N体代码N-GPU，我们进一步发展系统，不包括气体的影响，这主要是由恒星形成消耗的同时。我们从两个SMBH之间的距离约为700 pc并且两个黑洞仍然嵌在它们的星系尖端的时候开始。我们用了300万个粒子来研究SMBH双星的形成和演化，直到它变硬。在硬二进制形成后，我们减少（重新选择）粒子到115万，并遵循随后的收缩SMBH二进制由于三体遇到的恒星。我们发现近似恒定的硬化率和SMBH二进制迅速发展的高偏心率。类似的硬化率和偏心率值的报告在较早的研究SMBH二进制演化的合并耗散少的球形星系模型。估计的合并时间约为2.9 Gyr，明显小于哈勃时间。我们讨论为什么这个时间尺度应被视为上限。由于1：10合并是最常见的相互作用事件的星系在所有宇宙时代，我们认为，几个SMBH双星应检测与目前计划的星载引力波干涉仪，其灵敏度将特别高SMBH在这里考虑的质量范围。
2012-03-07 astro-ph.CO
High Frequency Gravitational Waves from Supermassive Black Holes: Prospects for LIGO-Virgo Detections
通常认为，地面引力波（GW）仪器对超大质量黑洞（SMBH）不敏感，因为GW的特征频率远低于地面探测器的~ 10 - 1000 Hz灵敏度波段。然而，在这里，我们探索SMBH引力波泄漏到更高频率的可能性。特别地，如果高频谱尾渐近于h（f）~ f^{-alpha}，其中alpha<=2，则在固定频率f>>c^3/GM处，谱振幅是质量M的常数或增函数。如果时域波形或其导数表现出不连续性，则会发生这种情况。地面仪器可以搜索这些普遍的光谱尾，以探测或排除这些特征，而不管它们的来源。我们确定了以下过程，可能会产生高频信号：（一）引力轫致辐射的超相对论性物体在附近的SMBH，（二）振铃模式激发的外部过程，具有高频分量或终止突然，（三）引力透镜回波和衍射。特别是对于（iii），SMBHs产生GW回声的星系核中的螺旋恒星质量双星的延迟几分钟到几个小时。如果双星在SMBH后面相对于距SMBH距离r处的视线的~10度（r/100 M）^{-1/2}圆锥内，则透镜化的主信号和GW回波被放大。对于SMBH附近的其余双星，GW回波的幅度平均约为主信号的0.1（r/100 M）^{-1}。
2012-12-08 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Beyond the Background: Gravitational Wave Anisotropy and Continuous Waves from Supermassive Black Hole Binaries
本研究模拟超大质量黑洞双星（SMBHB）族群并分析其产生的连续波与引力波背景各向异性，发现连续波发生率高度依赖双星演化参数，且各向异性水平随频率增加，观测各向异性可验证SMBHB作为引力波背景起源的模型。
2024-04-23 astro-ph.CO astro-ph.HE
Delensing Gravitational Wave Standard Sirens with Shear and Flexion Maps
超大质量黑洞双星系统（SMBHB）是标准的警报器-标准蜡烛的引力波类似物-如果被引力波探测器发现，它们可以用作精确的距离指示器。不幸的是，引力透镜会随机放大SMBHB信号，严重降低任何距离测量。使用SMBHB视线的弱透镜映射，我们可以估计其放大率，从而消除其距离的一些不确定性，我们称之为“去透镜”。“我们发现，当星系剪切与弯曲测量相结合时，去透镜化得到了显着改善，这减少了重建放大图中的小尺度噪声。在高斯近似下，我们估计，对于z=2的SMBHB，用极大望远镜（ELT）的2D马赛克图像去透镜可以减少大约30-40%的距离误差。包括一个额外的宽剪切图从空间测量望远镜可以减少50%的距离误差。这样的改进将使SMBHB作为宇宙学距离探测器或作为对现有探测器的完全独立检查更具价值。
2009-07-21 astro-ph.CO
Swift coalescence of supermassive black holes in cosmological mergers of massive galaxies
超大质量黑洞（SMBH）在具有相当大质量的星系中无处不在。据推测，一对最初位于两个合并星系核中的SMBH将形成一个双星，并最终通过引力波的爆发而合并。到目前为止，理论模型和模拟已经无法直接预测的SMBH合并的时间尺度从头计算星系形成理论，只集中在有限的阶段的SMBH的轨道衰减的理想条件下的星系主机。预测的SMBH合并时间尺度很长，是Gyrs级的，这可能对未来的引力波搜索造成问题。在这里，我们提出了第一个多尺度的$Λ$ CDM宇宙学模拟，遵循轨道衰变的一对SMBH在合并的两个典型的大质量星系在$z\sim3$，所有的方式，以最终的合并驱动的引力波发射。质量为$\sim10^{8}$ M $_{\odot}$的两个SMBH迅速地沉降在合并残余物的核中。由于合并的耗散性质和高红移星系的内在致密性，残余物是三轴的，并且非常致密。这样的性质自然允许SMBH二进制的非常有效的硬化。SMBH合并发生在银河系核心合并后的$\sim10$百万年内，比哈勃时间小两个数量级。
2016-08-05 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Imprints of Supermassive Black Hole Evolution on the Spectral and Spatial Anisotropy of Nano-Hertz Stochastic Gravitational-Wave Background
本研究通过结合不同尺度的星系模拟，发现超大质量黑洞的不同演化情景会导致纳赫兹随机引力波背景呈现不同的频率相关空间各向异性谱，为研究高红移黑洞形成与星系演化的关联提供新途径。
2024-08-14 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Co-evolution of supermassive black holes with galaxies from semi-analytic model: stochastic gravitational wave background and black hole clustering
利用基于Millennium和Millennium-II模拟建立的次晕合并树的星系形成半解析模型（SAM），研究了超大质量黑洞（SMBH）与星系的协同演化.我们利用Guo 2013和Henriques 2015的模拟结果研究了两个方面的协同演化，\emph{i.e.}由SMBH合并产生的随机引力波（GW）背景和SMBH/星系成团。Guo 2013和Henriques 2015模型预测的GW背景特征应变幅分别为$A_{yr^{-1}}=5.00\times10^{-16}$和$A_{yr^{-1}}=9.42\times10^{-17}$。我们发现GW振幅对星系合并率非常敏感。Guo 2013和Henriques 2015之间星系合并率的差异导致GW应变振幅的因子$5$偏差。对于星系团，我们利用Guo 2013模型生成的模拟星表计算了SMBH和星系的空间各向同性两点自相关函数和互相关函数。我们发现，所有的2 PCF有积极的依赖SMBH和星系质量。2 PCF中存在明显的时间演化，即在较低的红移处，团簇效应增强。有趣的是，这一结果在SDSS的活动星系核样本中没有报道。我们的分析还表明，当星系质量$10^2\sim10^3$大于SMBH质量时，SMBH和星系的成团模式大致相似，这反映了SMBH和星系的共同演化。最后，我们计算了GW背景能量密度角功率谱的前十倍。我们发现在整个频率范围内，前十…
2018-11-12 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Say Hello, Wave Goodbye: Gravitational Waves from Hyperbolic PBH-SMBH Interactions
University of Auckland（奥克兰大学）；Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Artemis（蔚蓝海岸大学、蔚蓝海岸天文台、法国国家科学研究中心、阿尔特米斯实验室）
该研究探讨双曲轨道PBH与SMBH相互作用产生的引力波，评估LISA和μAres任务对相关信号的可探测性，发现未束缚PBHs难以产生可探测引力波信号。
2026-08-18 astro-ph.CO gr-qc
Multiple Tidal Disruptions as an Indicator of Binary Super-Massive Black Hole Systems
我们发现，大多数系统托管多个潮汐中断可能包含硬二进制SMBH系统，并表明，这些重复事件的速率是足够高的LSST在其生命周期中检测到的。因此，这些多个潮汐破裂事件提供了一种新的方法来识别超大质量黑洞（SMBH）的双星系统与秒差距到亚秒差距。利用模拟的非相互作用的恒星最初围绕一个主要SMBH和潜在的模型恒星尖点的潮汐破坏率进行了研究。然后恒星在时间上向前演化，并受到次级SMBH的扰动，次级SMBH从尖点的边缘盘旋到其失速半径。我们发现保守的震级估计，下一代瞬态调查LSST应检测多个潮汐中断在大约3个星系超过5年的观察，虽然不太保守的估计可能会增加这个速度的一个数量级。
2010-11-26 astro-ph.CO
Eccentric evolution of SMBH binaries
在最近的数值模拟\citep{matsubayashi07,lockmann08}中，发现超大质量黑洞（SMBH）-中等质量黑洞（IMBH）双星的偏心率通过与恒星背景的相互作用而向1方向增长。离心率的增加使得双星通过引力辐射的合并时间尺度减小到远低于哈勃时间的值。对OJ 287 \citep{lehto96, valtonen08}等偏心双星的存在给出了理论解释。在自洽N体模拟中，总是观察到这种偏心率的增加。另一方面，SMBH双星与场星\citep{quinlan96}之间的散射实验结果表明，离心率没有增加。这种差异使得$N$体模拟中SMBH双星的高偏心率无法解释。在这里，我们提出了一个恒星动力学机制，驱动具有大质量比的SMBH二进制的偏心率的增加。这涉及两个关键过程。第一种是非轴对称势下的Kozai机制，它有效地使周围恒星的角动量随机化。另一种是选择性地喷射轨道相反的恒星。通过这两种机制，场星提取SMBH双星的轨道角动量。我们提出的机制导致大多数SMBH双星的离心率增加，导致通过引力波辐射的快速合并。我们的结果给出了“最后秒差距问题”的明确解决方案。
2010-11-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
Transverse Doppler effect and parameter estimation of LISA three-body systems
针对LISA可探测的绕超大质量黑洞运行的双黑洞三体系统，通过引入速度二阶的多普勒效应波形相移打破质量-倾角简并，实现了系统全参数的精确估计，可高精度测量超大质量黑洞质量。
2023-06-20 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
The Heavy Tailed Non-Gaussianity of the Supermassive Black Hole Gravitational Wave Background
Laboratory of High Energy and Computational Physics, NICPB（高能计算物理实验室，NICPB）；Tallinn University of Technology（塔林理工大学）；Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova（帕多瓦大学物理与天文学系）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）
研究超大质量黑洞双星 inspiraling 生成的引力波背景非高斯特性，发现其振幅分布具有重尾特性，影响统计矩和非高斯性测量，提出单强源原理及高斯近似方法。
2026-09-14 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Can quasars, triggered by mergers, account for NANOGrav's stochastic gravitational wave background?
本研究基于类星体光度函数，假设类星体与超大质量黑洞双星并合相关，计算随机引力波背景，发现其振幅与NANOGrav观测值大致匹配，支持类星体作为引力波背景来源，并对类星体寿命等参数提出联合约束。
2024-12-17 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
The Population of Viscosity- and Gravitational Wave-Driven Supermassive Black Hole Binaries Among Luminous AGN
星系核中的超大质量黑洞双星（SMBHB）被认为是主要星系合并的常见副产品。我们使用简单的磁盘模型的环双星气体和双星磁盘的相互作用，以遵循轨道衰变的SMBHB的总质量（M）和质量比（q）的范围内，通过物理上不同的区域的磁盘，直到引力波（GW）接管他们的演变。在GW驱动阶段之前，粘性衰减处于停滞的“次级主导”状态。SMBHB在轨道周期t_var介于1天和1年之间的时间里，花费了不可忽略的10^7年。专门的光学或X射线测量可以统计地识别合并的SMBHB，作为周期性变化的类星体的群体，其丰度N_var与t_var^alpha成比例，在大约几十周的周期t_var范围内。M < 10^7 M_sun，0.5 < alpha < 1.5的SMBHB将探测粘性轨道衰变的物理学，而检测到α =8/3的更高质量的双星，将证实它们的衰变是由GWs驱动的。最低质量的SMBHB（M < 10^{5-6} M_sun）在激光干涉空间天线（LISA）的频带内以短轨道周期进入GW驱动区。虽然粘性过程在过去几年的合并中是强烈的次主导，但它们可以减少近静止LISA源的任何未解决背景的振幅。我们讨论了从现有数据中获得的SMBHB人口的限制，以及在未来调查中检测的灵敏度和天空覆盖要求。SMBHBs也可以确定其光谱中的速度变化，我们讨论了预期的丰富SMBHBs作为其轨道速度的函数。
2009-04-08 astro-ph.CO
Prospects for gravitational-wave detection and supermassive black hole astrophysics with pulsar timing arrays
大面积的巡天观测显示，在哈勃时间内，大质量星系至少会经历一次大的合并。正在进行的脉冲星计时阵列（PTA）实验旨在测量星系合并残余物中心的双超大质量黑洞（SMBH）的引力波（GW）发射。在本文中，使用最新的观测估计的一系列星系的属性和标度关系，我们预测的GW背景的振幅产生的二进制SMBH人口。我们还预测了单个二进制SMBH GW源的数量。我们预测GW背景的特征应变幅度位于$5.1\times10^{-16}<A_{\rm yr}<2.4\times10^{-15}$范围内，频率为$(1\,{\rm yr})^{-1}$，置信度为95%。在这个范围内的更高的值，对应于更普遍的星系合并时间尺度的首选，将在未来几年内落入现有PTA项目的预期敏感性范围内。相比之下，我们发现需要由下一代射电望远镜观测到的至少100颗脉冲星组成的PTA才能检测到来自二元SMBH的连续波GW。我们进一步建议，GW内存突发合并SMBH对是不可行的来源PTA。GW背景和单个GW源计数都由在红移为$\lesssim 1.5$的质量为$\gtrsim5\times10^{10}M_{\odot}$的早型星系合并中形成的双星所主导。星系合并时间尺度的不确定性和SMBH质量-星系核球质量关系主导了我们预测的不确定性。
2014-12-16 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Gravitational Wave Signal from Assembling the Lightest Supermassive Black Holes
我们计算的引力波信号从1000万太阳质量的超大质量黑洞（SMBH）的生长从第三族恒星的残余。这些低质量黑洞的组装特别重要，因为在这个质量范围内观测SMBH是激光干涉仪空间天线（LISA）的主要科学目标之一，这是NASA/ESA计划探测引力波的任务。我们使用高分辨率的宇宙学N体模拟来跟踪合并的主机暗物质晕的历史，并结合动力学摩擦，气体吸积和反馈的半解析方法模型的SMBHs的增长。我们发现，最常见的来源，在LISA带从我们的体积包括合并之间的中等质量的黑洞和SMBHs在红移小于2。这种类型的高质量比合并在引力波界还没有得到广泛的考虑;这种信号的检测和表征可能需要一种不同于SMBH合并或极端质量比吸入的技术。我们发现，这个新的LISA源的事件率依赖于气体吸积到黑洞的处方，以及在星系尺度上的动力学的精确模型;我们最好的估计是，在SMBH组装期间，在类似于本地群的体积内出现大约40个信噪比大于30的源--根据宇宙的体积推算，10年内大约观测到500个事件，尽管这一速率的准确性受到宇宙变化的影响。
2010-02-17 astro-ph.CO
Probing the mass relation between supermassive black holes and dark matter halos at high redshifts by gravitational wave experiments
本文通过引力波实验（LISA和PTAs）探测高红移处超大质量黑洞与暗物质晕的质量关系，基于共演化模型研究并合产生的引力波信号，为揭示黑洞演化提供新途径。
2025-09-25 astro-ph.CO gr-qc
Observing gravitational wave bursts in pulsar timing measurements
我们提出了一种观察超大质量黑洞（SMBH）合并的引力波特征的新方法。这种方法是基于一个特定类型的引力波，即引力波突发与记忆（BWM）的检测，使用脉冲星计时。我们研究了脉冲星计时残差中BWM产生的独特信号。我们表明，目前的脉冲星定时精度允许人们检测到BWM由于SMBH合并从距离高达1 Gpc（对于相同的质量10^8 Msun SMBH的情况下）。脉冲星计时精度的提高以及观测到的脉冲星数量的增加最终将导致探测到由于SMBH合并而产生的BWM信号，从而使所提出的技术与计划中的LISA任务的能力互补。
2010-02-28 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Supermassive black hole growth from stellar binary encounters
University of Utah（犹他大学）
研究通过双星相互作用机制探讨超大质量黑洞的生长过程，并发现大麦哲伦云中的黑洞可能通过吸积双星伙伴实现增长。
2026-02-11 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Gravitational-wave Limits from Pulsar Timing Constrain Supermassive Black Hole Evolution
超大质量黑洞（SMBH）的形成和生长过程没有得到很好的约束。然而，SMBH人口模型提供了具体的预测的引力波背景（GWB）的属性，从合并星系在整个宇宙中的双SMBH。使用从帕克斯脉冲星定时阵列的观测，我们约束的分数GWB能量密度与95%的置信度是$Ω_{GW}(H_0/73 {\rm km} {\rm s}^{-1} {\rm Mpc}^{-1})^2 < 1.3 \times 10^{-9}$在2.8 nHz的频率，这是一个大约比以前的限制更严格的六倍。我们将我们的限制与SMBH人群的模型进行比较，并在46%至91%的置信水平下发现不一致。例如，千年模拟中实现的标准星系形成模型与我们的50%概率极限不一致。
2013-10-17 astro-ph.CO
Gravitational waves from supermassive black hole binaries in ultra-luminous infrared galaxies
纳赫兹波段的引力波是研究星系核中超大质量黑洞宇宙演化的重要工具。我们考虑高$z$超亮红外星系（ULIRGs）中的SMBH双星作为随机GW背景（GWB）的来源。ULIRGs可能与富含气体的星系合并有关，这些合并可能在星系的生命中最多发生一次，而不像在低红移时的多次干合并。采用一个完善的样本ULIRGs，我们研究的性质，由于合并的二元SMBHs在这些星系的GWB。由于ULIRG群体在$z>1.5$达到峰值，因此即使BH合并延迟长达$\sim $ 10 Gyrs，GWB的振幅也不会受到影响。尽管罕见的高$z$ ULIRGs，我们发现一个紧张的上限脉冲星定时阵列（PTA）的实验。这一结果表明，如果一小部分的ULIRGs $f_{\rm m,gal}$与SMBH二进制，然后不超过$20 f_{\rm m,gal}(λ_{\rm Edd}/0.3)^{5/3}(t_{\rm life}/30~{\rm Myr})~\%$的二进制SMBH在ULIRGs可以合并在哈勃时间内，ULIRGs的爱丁顿比（$λ_{\rm Edd}$）和它们的寿命（$t_{\rm life}$）的合理值。
2018-09-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
Binary Supermassive Black Holes Orbiting Dark Matter Solitons: From the Dual AGN in UGC4211 to NanoHertz Gravitational Waves
研究提出UGC4211双超大质量黑洞周围的不可见质量可由波动暗物质孤子解释，并证明其会改变纳赫兹随机引力波背景低频谱，且可拟合NANOGrav与EPTA数据。
2024-05-09 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Multiple supermassive black hole systems: SKA's future leading role
星系和超大质量黑洞（SMBH）被认为是通过一个层次合并和吸积的过程演化的。通过这种范式，多个SMBH系统预计在宇宙中相对常见。然而，到目前为止，对多个SMBH系统的观测约束很差，其分离度相当于SMBH引力影响范围（<< 1 kpc）。在这一章中，我们将讨论如何深连续观测与SKA将作出领先的贡献，了解多个黑洞系统如何影响星系演化。此外，这些观测将提供约束和理解的随机引力波背景检测脉冲星定时阵列灵敏度带（毫微赫兹-微赫兹）。我们还讨论了如何为指向引力波实验（无法解决VLBI）的目标可能会被发现使用大规模的无线电射流形态，这可以调制的存在下，一个近对二进制SMBH系统。高角分辨率的直接成像、低表面亮度的无线电喷流示踪器和脉冲星定时阵列的组合将使SKA能够从星系维里半径的分离跟踪黑洞双星演化到亚秒差距的水平。这种大动态范围的二进制SMBH分离将确保SKA在这一观测前沿发挥主导作用。
2015-01-06 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Gravitational lensing effects of supermassive black holes in cluster environments
本研究探讨星系团中超大质量黑洞的引力透镜效应。虽然在星系中存在中央SMBH是确定的，但最近的高分辨率模拟工作预测存在额外的流浪SMBH人口。虽然这些SMBH的质量对星系团中较大尺度和单个星系尺度的暗物质成分来说是一个微小的扰动，但它们会影响统计透镜特性和单个透镜图像配置。探测这些潜在的可观察到的签名，我们发现，SMBHs的印记可检测的签名在罕见的，高阶强透镜图像配置，虽然他们没有表现出任何统计学上显着的可检测的证据，无论是放大率分布或集成的剪切剖面。调查特定的透镜图像的几何形状，我们报告说，一个大规模的，近点状的，潜在的SMBH导致以下可检测的影响：（一）图像分裂，导致产生额外的图像;（二）位置和放大倍数不对称的多重成像系统;和（iii）明显消失的透镜反像。其中，星团切向临界曲线内的图像分裂是最普遍的显著观测特征。我们证明了这些可能性在两种情况下观察到的巨大的弧在$SGAS\,J003341.5+024217$和$RX\,J1347.5-1145$，其中看到的特定图像配置可以复制SMBH。未来的高分辨率仪器观测（例如MAVIS-超大望远镜，MICADO-超大望远镜和升级的ngVLA，以及来自\textit{Euclid} \& \textit{Nancy Grace Roman}空间望远镜和鲁宾LSST天文台的数据可能使我们能够探测这些独特而罕见的SMBHs透镜特征。
2022-11-02 astro-ph.CO astro-ph.GA
Measuring the Hubble Constant with Double Gravitational Wave Sources in Pulsar Timing
脉冲星计时阵列（PTA）正在寻找来自超大质量黑洞双星（SMBHB）的引力波。在这里，我们展示了未来的PTA如何使用来自单独分辨的SMBHB源的引力波探测来产生纯粹基于引力波的哈勃常数测量。这是通过测量两个独立的距离，从引力波信号在定时残差相同的源：通过频率演化效应的亮度距离$D_L$，和视差距离$D_\mathrm{par}$通过波前曲率（菲涅耳）的影响。我们提出了一个广义的时间残差模型，包括在膨胀的宇宙中的这些影响。这两个距离，$D_\mathrm{par}$是具有挑战性的测量，由于脉冲星距离包裹的问题，在地球脉冲星距离和引力波源参数，需要高度精确，亚秒差距水平，脉冲星距离测量，以克服退化。然而，在本文中，我们证明，结合知识的两个SMBHB源的定时残差在很大程度上消除了包装周期退化。两个源通过识别到双星的距离同时校准PTA，这本身是有用的，并且允许恢复源光度和视差距离，这导致哈勃常数的测量。我们发现，在平方公里阵列的时代，乐观的PTA，两个SMBHB源在几百Mpc可以用来测量哈勃常数的相对不确定性的顺序为10%。
2022-10-11 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Massive Black Holes Seeded by Dark Matter -- Implications for Little Red Dots and Gravitational Wave Signatures
John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院）；Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所）；Theory Division, Fermilab（费米实验室理论部）；Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago（芝加哥大学卡弗里宇宙物理学研究所）；Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University（北京大学卡弗里天文学与天体物理研究所）
研究高红移超大质量黑洞观测挑战下的标准播种情景，利用耗散性自相互作用暗物质模型及半解析框架预测其群体性质，再现相关天体并给出占空比，其引力波信号可被探测，为探测隐藏领域物理提供途径。
2026-07-23 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Gravitational Wave Driven Mergers and Coalescence Time of Supermassive Black Holes
研究了初始嵌入合并星系中心的超大质量黑洞（SMBH）从星系合并开始到合并的演化过程。我们进行了大量的直接N体模拟与三个不同的斜率的中央恒星尖点和不同的随机种子。后牛顿条款高达3.5阶用于驱动SMBH二进制的相对论性制度的演变。研究了SMF对硬化速率和聚结时间的影响。我们发现，SMBH二进制合并以及在十亿年内，当我们的模型被缩放到一个陡峭的尖点在低红移的星系。在这里，更高的中心密度提供了更大的恒星供应，以有效地从SMBH双星轨道中提取能量，并将其缩小到引力波（GW）发射占主导地位的阶段，从而导致SMBH的合并。合并的模型与浅尖点，是代表巨大的椭圆星系的中心核心的结果在较低的效率提取的二进制轨道能量，由于较低的恒星密度的中心。然而，在这样的星系合并中，SMBH双星的高偏心率值确保了GW发射占主导地位的相位集在更早的半长轴的较大值。这有助于补偿在恒星相遇阶段的能量提取效率较低，导致在双星形成后约一个Gyr内合并SMBH。此外，我们见证了合并残余物中的质量偏析，导致SMBH二元硬化率提高。我们表明，至少在尖状低质量星系的合并的最后阶段将与GW探测器eLISA观察。
2018-03-30 astro-ph.CO astro-ph.GA
On the growth of supermassive black holes formed from the gravitational collapse of fermionic dark matter cores
提出早期宇宙中费米子致密暗物质核引力坍缩形成SMBH种子的新通道，并通过广义相对论盘吸积模型证明其可在首个十亿年增长至约10^9–10^10倍太阳质量。
2023-05-03 astro-ph.CO
Tidal break-up of binary stars at the Galactic center and its consequences
星系中心的超大质量黑洞（SMBH）对双星系统的潮汐分裂被认为是星系晕中观测到的超高速星（HVS）样本和围绕Sgr A* 保持在紧密轨道上的S星的来源。在这里，我们使用后牛顿N体代码来研究高椭圆约束轨道上的主序星双星的动力学，其近点位于SMBH附近，确定弹射和约束恒星以及碰撞产物的性质。与以往的研究不同，我们遵循的二进制文件，保持约束周围的SMBH几个革命，发现在相对较大的近拱点和高度倾斜的二进制文件的情况下，Kozai共振可能会导致大的周期性振荡的内部二进制偏心率和倾角。碰撞和合并的二进制元素被发现显着增加的多个轨道周围的SMBH，而HVS主要是在一个二进制的第一次通过期间产生。这个过程可能导致恒星合并，并最终成为银河系中心年轻恒星的重要来源。
2009-12-28 astro-ph.CO astro-ph.GA
Gravitational Waves from SMBH Binaries in Light of the NANOGrav 15-Year Data
本文基于NANOGrav 15年数据研究nHz引力波是否源自超大质量黑洞双星，发现谱指数与纯引力波驱动演化不符，并提出气体、恒星和暗物质动力学摩擦等环境效应可能影响双星演化。
2024-01-12 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Identifying Supermassive Black Hole Binaries with Broad Emission Line Diagnosis
活动星系核（AGN）中的双峰宽谱线可能表明存在一个束缚超大质量黑洞（SMBH）双星，其中两个不同的宽谱线区（BLR）共同构成谱线轮廓。另一种解释是一个磁盘发射源的双峰线轮廓。使用简单的BLR模型，我们计算出预期的宽线轮廓SMBH二进制在不同的分离。在合理的假设下，这两个BLR是由两个活跃的SMBH照明和BLR位置的电离通量是大致恒定的，我们确认出现双峰的功能和径向速度漂移的两个峰值，由于二进制轨道运动。然而，这种明显的双峰特征只出现在双星演化的特定阶段，当两个黑洞足够接近，使得视线轨道速度差大于单个宽分量的半高宽时，而两个BLR仍然大部分是不同的。在此阶段之前，由于双星轨道运动的速度分裂太小，无法将两个BLR的发射分开，导致一般不对称的宽线轮廓。当两个黑洞更接近，使得两个BLR不再是不同的，线轮廓变得更加复杂，峰的分裂不对应于双星的轨道运动。在这种情况下，没有相干的径向速度漂移的峰值随时间的推移。不对称的线轮廓可能是一个更常见的签名二进制SMBH比双峰轮廓。我们讨论了时间变化的宽线轮廓的二进制SMBH和突出的混响映射的不同行为的二进制和磁盘发射器的情况下，这可能是一个可行的工具来解开这两种情况。
2010-11-30 astro-ph.CO
The Route to Unveil the Cosmic Genealogy of Supermassive Black Hole Binaries Using Nano-Hertz Gravitational Waves and Galaxy Surveys
本研究通过结合纳赫兹引力波背景及其各向异性与星系巡天的互相关分析，利用Fisher方法证明联合观测能显著约束超大质量黑洞双星的红移演化，为揭示其宇宙增长历史提供新途径。
2025-10-27 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Targeted search for an individual SMBHB in NANOGrav 15-year and EPTA DR2 data sets
本研究利用贝叶斯方法在NANOGrav 15年和EPTA DR2数据集中定向搜索SMBHB候选体3C 66B的连续引力波，未发现信号并设置振幅与啁啾质量上限，支持GWB的SMBHB起源但尚无直接探测证据。
2025-08-20 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Discovery of Four kpc-Scale Binary AGNs
我们报告发现了四个kpc尺度的双星活动星系核。这些天体最初是从斯隆数字巡天计划中根据其光纤光谱中的双峰[O III] 4959，5007发射线选择的。双峰可能是由于星系合并中成对的活动超大质量黑洞（SMBH）造成的，也可能是由于单个SMBH周围窄线区域气体的整体运动造成的。深近红外（NIR）图像和光学狭缝光谱获得的麦哲伦6.5米和APO 3.5米望远镜强烈支持二进制SMBH的情况下，四个对象。在每个系统中，近红外图像显示潮汐特征和双恒星组件与几个千秒差距的投影分离，而光学狭缝光谱显示两个塞弗特2核空间上与恒星组件一致，视线速度偏移几百公里/秒。这些物体是从只有43个物体的样本中提取的，证明了这种技术在寻找kpc级双星活动星系核方面的效率。
2010-04-08 astro-ph.CO
Nanohertz gravitational waves from a quasar-based supermassive black hole binary population model as dark sirens
本研究采用能自洽解释随机引力波背景振幅的类星体SMBHB族群模型，通过模拟未来脉冲星计时阵列的引力波数据约束哈勃常数，证实族群建模对暗汽笛分析的重要性，展现其作为宇宙学探针的潜力。
2025-03-24 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Analytical Estimates of Gravitational Wave Background Anisotropies from Shot Noise and Large-Scale Structure in Pulsar Timing Arrays
Simon Fraser University（西蒙菲莎大学）；Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA), University of Toronto（多伦多大学理论天体物理研究所 (CITA)）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
研究通过分析中子星-黑洞双星并合噪声和大尺度结构，探讨引力波背景各向异性，并提出利用频率依赖性模板检测信号的方法。
2026-08-13 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Milliarcsecond astrometric oscillations in active galactic nuclei as a precursor of multi-messenger gravitational wave events
本文通过VLBI天体测量在类星体J0204+1514中发现毫角秒级振荡，将其解释为超大质量黑洞双星轨道运动，并构建玩具模型定量预测其引力波发射，论证天体测量VLBI监测可作为未来多信使引力波事件探测的前兆手段。
2025-08-15 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Noise-marginalized optimal statistic: A robust hybrid frequentist-Bayesian statistic for the stochastic gravitational-wave background in pulsar timing arrays
观测显示，几乎所有星系的中心都有超大质量黑洞（SMBH）。当星系合并时，这些SMBH形成SMBH双星（SMBHB），发射低频引力波（GW）。这些源的非相干叠加产生一个随机GW背景（GWB），可以观察到脉冲星定时阵列（PTA）。最优统计量是GWB幅度的频率估计量，其专门寻找由GWB引起的空间相关性。在本文中，我们介绍了一种改进的方法来计算最佳的统计，边缘化的红噪声在个别的光谱。我们使用模拟来证明，这种方法更准确地确定GWB的强度，我们使用噪声边缘化的最佳统计比较的重要性，偶极子，和Hellings-Downs（HD）的空间相关性和执行天空扰频。
2018-08-13 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Statistics of the supermassive black hole gravitational wave background anisotropy
Laboratory of High Energy and Computational Physics, NICPB（高能计算物理实验室，NICPB）；Departament of Cybernetics, Tallinn University of Technology（塔林科技大学网络系）；Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova（帕多瓦大学物理与天文学系）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）
研究超大质量黑洞双星系统引力波背景各向异性统计特性，揭示其分布差异及环境效应与偏心率的影响。
2024-11-29 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Dark Matter Spike surrounding Supermassive Black Holes Binary and the Nanohertz Stochastic Gravitational Wave Background
本文研究超大质量黑洞双星周围暗物质尖峰对纳赫兹随机引力波背景的影响，通过贝叶斯拟合NANOGrav等数据发现含暗物质尖峰模型改善拟合，且尖峰斜率略小于1。
2025-06-26 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Fuzzy dark matter soliton core hosting a supermassive black hole as a dense low-mass perturber in strong gravitational lensing
Chiba University（千叶大学）；The University of Tokyo（东京大学）
提出模糊暗物质模型中由超大质量黑洞增强的孤子核作为强引力透镜中的有效扰动体，解释了JVAS B1938+666中未知天体的质量分布。
2026-06-11 astro-ph.CO hep-ph
Systematic investigation of the expected gravitational wave signal from supermassive black hole binaries in the pulsar timing band
在这封信中，我们进行了第一次系统的调查，预期的引力波（GW）背景产生的超大质量黑洞（SMBH）在nHz频段的脉冲星定时阵列（PTA）。我们从文献中的红移依赖的星系质量函数的几个估计和密切的星系对的分数，以获得广泛的星系合并率。然后，我们利用经验的黑洞主机的关系，填充合并星系与SMBHs。我们的程序的结果是收集了大量的现象学SMBH的二进制合并率与当前的观测限制星系组装在z<1.5。对于每个合并率，我们计算相关联的GW信号，最终产生一个大的nHz GW背景的估计，我们使用它来推断其预期幅度的置信区间。当考虑到最新的SMBH主机关系，占超大质量黑洞在最明亮的星系团星系，我们发现，名义上的$1σ$间隔的预期GW信号是只有一个因素的3至10低于目前的PTA限制，这意味着一个不可忽略的机会，在未来几年的检测。
2012-11-22 astro-ph.CO gr-qc
Non-Gaussian Statistics of Nanohertz Stochastic Gravitational Waves
该研究提出半解析框架计算超大质量黑洞双星产生的纳赫兹随机引力波背景的非高斯统计，揭示波干涉与源数量泊松涨落共同塑造非高斯性，并评估了脉冲星计时阵列通过非高斯信息区分引力波背景起源的灵敏度。
2025-02-07 astro-ph.CO gr-qc
Does a 'stochastic' background of gravitational waves exist in the pulsar timing band?
我们研究了脉冲星定时阵列数据集上模拟的超大质量双黑洞群体的引力波（GW）的影响。我们构建了一个分布描述的二进制SMBH人口从现有的半解析星系形成模型。使用实现的二进制SMBH人口从这个分布产生的，我们模拟脉冲星定时数据集与GW引起的变化。我们发现，这些变化的统计不对应于各向同性，随机GW背景。平均恢复的“Hellings & Downs”的模拟数据集之间的相关性不同的卫星，虽然相关性估计的分散大于预期的各向同性，随机GW背景。这些结果是由于这样一个事实，即只有少数GW源占主导地位的GW引起的变化，在每个傅立叶频率箱的5年数据集。对来自二进制SMBH的GW信号的幅度的电流约束将被偏置。在5年脉冲星定时阵列数据集中，个别双星系统可能是可检测的，其中噪声主要是由GW引起的变化。因此，在脉冲星定时阵列数据中对GWs的估计需要考虑单个GWs源的影响。
2012-10-14 astro-ph.CO gr-qc
Probing Self-Interacting Dark Matter via Gravitational-Wave Background from Eccentric Supermassive Black Hole Mergers
本研究利用偏心超大质量黑洞双星并合产生的随机引力波背景，结合改进的动力学摩擦与轨道演化模型，证明脉冲星计时阵列可约束自相互作用暗物质截面。
2025-09-02 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Binary-lens amplification of starlight: from magnification flares to quasi-periodic tracking of orbital evolution
St Hugh’s College, University of Oxford（牛津大学圣休学院）；Department of Physics, Astrophysics, University of Oxford（牛津大学物理系天体物理学）；Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, University of Oxford（牛津大学鲁道夫·派尔斯理论物理中心）；Institute of Physics, Eötvös University（厄特沃什大学物理研究所）；Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)（马克斯·普朗克引力物理研究所（阿尔伯特·爱因斯坦研究所））
本研究推广了此前的引力透镜识别超大质量黑洞双星（SMBHB）的方法，阐述双星透镜对恒星光的放大（BLAST）现象，分析不同条件下的电磁暂现源特征，其结果或助力电磁时域巡天中SMBHB的识别。
2026-10-15 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Discovering the Cosmic Evolution of Supermassive Black Holes using Nano-Hertz Gravitational Waves and Galaxy Surveys
本文首次提出利用纳赫兹引力波背景与星系巡天的互相关信号，以高于五的信噪比探测超大质量黑洞随红移的演化，开辟了新的观测窗口。
2024-07-16 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Abell 1201: Detection of an Ultramassive Black Hole in a Strong Gravitational Lens
超大质量黑洞（SMBH）是星系形成和演化的关键催化剂，导致观测到SMBH质量$M_{\rm BH}$和宿主星系速度色散$σ_{\rm e}$之间的相关性。在本地宇宙之外，$M_{\rm BH}$的测量通常只可能用于处于活动状态的SMBH：限制样本大小并引入选择偏差。引力透镜使得测量非活动SMBH的质量成为可能。我们提出了$z=0.169$星系尺度强透镜Abell~1201的模型。星系团中的一个cD星系，它有足够的“外部剪切”，一个$z = 0.451$背景星系的放大图像被投射到距离星系中心仅$\sim 1$千秒差距的地方。利用哈勃空间望远镜的多波段成像和透镜建模软件$\texttt{PyAutoLens}$，我们重建了沿着这条视线的质量分布。贝叶斯模型比较有利于点质量与$M_{\rm BH} = 3.27 \pm 2.12\times10^{10}\,$ M $_{\rm \odot}$（3 $σ$置信限）;超大质量黑洞。一个模型提供了一个可比的贝叶斯证据没有SMBH，但我们认为这个模型是非物理的基本假设。该模型仍然提供$M_{\rm BH} \leq 5.3 \times 10^{10}\,$ M $_{\rm \odot}$的上限，因为高于该质量的SMBH使透镜图像$\sim 1$ kpc从Abell 1201的中心变形。这是建立在以前的工作，使用中心图像放置上限的$M_{\r…
2023-03-27 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Triplets of supermassive black holes: Astrophysics, Gravitational Waves and Detection
超大质量黑洞（SMBH）在许多星系的中心被发现在宇宙结构的形成过程中起着重要的作用。在分级形成的情况下，SMBH预计将在其宿主星系合并后形成双星。如果这些双星在与第三个星系合并之前没有合并，则有可能形成黑洞三重系统。对星系核心内三重星系动力学的数值模拟显示出非常高的偏心率（高达$e \sim 0.99$）。在这些阶段，强烈的引力辐射爆发可以在轨道近心点发射。这就产生了频率大大高于轨道频率的引力波信号。利用脉冲星定时和激光干涉仪空间天线（{ \it LISA}）检测这些爆发的可能性估计使用几个人口模型的SMBH与质量$\gtrsim 10^7 {\rm M_\odot}$。假设三重系统中有一小部分二进制脉冲$\ge 0.1$，我们发现在未来脉冲星定时阵列（PTA）的灵敏度范围内，只有几到几十个这样的脉冲将产生残差$>1$ ns。然而，大多数这样的爆发将被冲洗掉的潜在的混乱噪音所产生的所有其他'标准' SMBH二进制发射在同一频率窗口。需要进行详细的数据分析研究，以评估这些来源的可分解性。实施一个基本的可分辨性标准，我们发现，在一纳秒精度水平捕捉可分辨的突发的机会是2- 50%，这取决于所采用的SMBH演化模型。另一方面，用{ \it LISA}探测大质量双星（质量$\gtrsim 10^7\msun$）产生的爆发的概率是可以忽略的。
2009-11-23 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
