$z \sim 2$ 时 ASTRID 模拟中的三重和四重黑洞
Triple and Quadruple Black Holes in the ASTRID Simulation at $z \sim 2$
AI总结：
本研究利用ASTRID宇宙流体动力学模拟，探究z=2-3时三重、四重MBH系统的性质与演化，明确了其占比、质量分布、宿主特征及合并、失控黑洞等演化结果。
摘要：
我们利用 ASTRID 宇宙流体动力学模拟，研究了 $z = 2-3$ 时三重和四重大质量黑洞（Massive Black Hole, MBH）系统的性质与演化。迄今仅探测到少量 MBH 多体系统。在 ASTRID 中，我们发现 $M_{\rm BH}>10^7\\,M_\odot$ 的黑洞中，有 $4\\%$ 位于 $\Delta r_{\rm max} < 200\\,{\rm kpc}$ 的多体系统中。这些多体系统的间距范围较广，大多数可观测的活动星系核（AGN）系统间距在 $\Delta r \sim 50-100$ kpc。它们包含部分质量最高的黑洞（可达 $10^{10} \\,M_\odot$），但至少有一个组成部分的质量为 $M_{\rm BH} \sim 10^7 \\,M_\odot$。多体系统的宿主星系通常质量较大，恒星质量 $M_* \sim 10^{10-11} \\,M_\odot$。我们发现，质量 $M_{\rm halo} > 10^{13} M_\odot$ 的大质量暗物质晕中，超过 $10\\%$ 承载着 MBH 多体系统。追踪多体系统中 MBH 的后续相互作用后，我们发现约 $5\\%$ 的三重系统中三个 MBH 会在 10 亿年内合并，$15\\%$ 会经历一次合并。作为这些系统复杂多星系相互作用的副产品，我们还发现高达约 $5\\%$ 的多体系统会产生失控 MBH。在 ASTRID 中，几乎所有超大质量黑洞（$>10^{10} \\,M_\odot $）都经历过三重类星体阶段，而对于 $M_{\rm BH} \sim 10^9 \\,M_\odot$ 的黑洞，这一比例降至 $50\\%$。
英文摘要：
We use the ASTRID cosmological hydrodynamic simulation to investigate the properties and evolution of triple and quadruple Massive Black Hole (MBH) systems at $z = 2-3$. Only a handful of MBH tuple systems have been detected to date. In ASTRID, we find $4\%$ of the $M_{\rm BH}>10^7\,M_\odot$ are in tuples with $Δr_{\rm max} < 200\,{\rm kpc}$. The tuple systems span a range of separations with the majority of the observable AGN systems at $Δr \sim 50-100$ kpc. They include some of the most massive BHs (up to $10^{10} \,M_\odot$) but with at least one of the components of $M_{\rm BH} \sim 10^7 \,M_\odot$. Tuples' host galaxies are typically massive with $M_* \sim 10^{10-11} \,M_\odot$. We find that $>10\%$ massive halos with $M_{\rm halo} > 10^{13} M_\odot$ host MBH tuples. Following the subsequent interactions between MBHs in tuples, we found that in $\sim 5\%$ of the triplets all three MBHs merge within a Gyr, and $15\%$ go through one merger. As a by-product of the complex multi-galaxy interaction of these systems, we also find that up to $\sim 5\%$ of tuples lead to runaway MBHs. In ASTRID, virtually all of the ultramassive black holes ($>10^{10} \,M_\odot $) have undergone a triple quasar phase while for BHs with $M_{\rm BH} \sim 10^9 \,M_\odot$ this fraction drops to $50\%$.
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