The imminent detection of gravitational waves from massive black-hole binaries with pulsar timing arrays
最近对大质量星系的观测表明，它们的质量在红移z = 1和现在之间增加了一倍，大小增加了五倍，尽管经历了非常少的恒星形成，这表明星系合并驱动了演化。由于这些星系将包含超大质量黑洞，这表明黑洞合并率比之前预期的更大，因此引力波信号也比之前预期的更大。我们计算了合并驱动的质量函数的演化，发现合并速率比以前估计的高10到30倍，引力波比以前估计的强3到5倍，因此引力波信号可能已经可以用脉冲星定时阵列的现有数据检测到。我们还提供了一个解释与过去的估计，是基于暗物质晕模拟的分歧。
2012-11-19 astro-ph.CO gr-qc
The appearance of a merging binary black hole very close to a spinning supermassive black hole
双黑洞的质量和距离是引力波天文学测量的基本参数。众所周知，测量结果会受到宇宙学红移的影响，最近的工作也表明，如果BBH靠近超大质量黑洞（SMBH）并合，多普勒和引力红移会进一步影响测量结果。在这里，我们考虑的额外的透镜效应引起的附近SMBH的测量。我们计算了克尔SMBH的$10$引力半径内的零测地线，以确定由BBH发射的GW的红移和放大率。我们发现红移和缩小率之间存在正相关，这导致探测器框架中BBH的质量和距离之间存在正相关。更重要的是，我们发现信号出现红移和缩小到远处观察者的概率更高，而不是蓝移和放大。基于这些结果，我们证明了宇宙学红移为$z_{\rm cos}=(10^{-2}-10^{-1})$，由$(10-20)M_\odot$的BH组成的双星可以伪装成红移为$z_{\rm cos}\sim1$，含有$(44-110)M_\odot$大小的BH的BBH。在极度缩小的情况下，我们也发现同样的黑洞可能出现在$z_{\rm cos}>10$上，并且包含亚太阳质量的黑洞。如果不考虑这种效应，可能会使我们对通过GWs检测到的BH的起源的理解产生偏差。
2023-02-08 astro-ph.HE gr-qc
Formation of Merging Stellar-Mass Black Hole Binaries by Gravitational Wave Emission in Active Galactic Nucleus Disks
该研究解析分析了活动星系核盘中恒星质量黑洞经引力波辐射形成并合双星的过程，发现多数双星在LVK频段内呈高度偏心并可被探测，且偏心率受速度、距离和频段影响。
2024-03-14 astro-ph.HE gr-qc
Disks Around Merging Binary Black Holes: From GW150914 to Supermassive Black Holes
我们在完全广义相对论下对质量比为36：29的非自旋黑洞双星进行了磁流体动力学模拟。我们调查不同的磁盘模型，不同的规模高度，总尺寸和磁场量化的鲁棒性，以前的模拟初始磁盘模型。将我们的模拟缩放到LIGO GW 150914，我们发现这样的系统可以解释可能的引力波和电磁对应物，例如在GW 150915结束后0.4秒报告的费米GBM硬X射线信号。将我们的模拟缩放到超大质量二元黑洞，我们发现，可观察到的流动特性，如吸积率周期性，整个螺旋，合并和合并后，磁盘温度，热频率的出现，以及合并和喷气流出之间的时间延迟，我们在早期的研究报告显示只有适度的依赖于我们在这里考虑的初始磁盘模型。
2018-02-24 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Probing the Delay Time of Supermassive Black Hole Binary Mergers With Gravitational Waves
本研究提出结合未来引力波测量与星系巡天模拟数据，利用分层贝叶斯推断和模型选择方法，推断超大质量黑洞双星合并的延迟时间分布并检验演化模型。
2023-06-28 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Binary Mergers near a Supermassive Black Hole: Relativistic Effects in Triples
研究了在等级三元系统中自旋超大质量黑洞对并合黑洞双星的轨道和自旋演化的广义相对论效应。一个足够倾斜的外轨道可以激发BHB的Lidov-Kozai偏心率振荡，并导致其合并。这些GR效应在BHB轨道和自旋上产生额外的进动，显着增加了合并的倾斜窗口，并在BHB进入LIGO波段时产生广泛的自旋取向。这种“GR增强”通道可能在BHB合并中发挥重要作用。
2019-09-06 astro-ph.HE gr-qc
Blindly detecting orbital modulations of jets from merging supermassive black holes
在合并前的最后几年里，超大质量黑洞双星将在环绕双星盘的磁场中快速螺旋和进动。多个模拟表明，这种相对运动会将部分局部能量转化为坡印廷主导的外流，其光度为10^{43} erg/s *（B/10^4 G）^2（M/10^8 Msun）^2（v/0.4 c）^2，其中一些可能会以频率接近1 GHz的同步辐射形式出现，目前和计划中的宽场射电勘测将在那里进行。在引力波螺旋时间尺度上的长期功率增加的顶部，轨道运动将产生显著的，可检测的调制，无论是在轨道周期和（如果黑洞自旋与双星的总角动量不一致）自旋轨道进动时间尺度上。由于引力波合并时间随着分离而迅速增加，我们发现大量的这些瞬变现象普遍存在，除非明确排除（由低效率$ε$）或模糊（由吸积几何f_{geo}）。如果坡印亭通量转换为射电辐射的比例乘以$f_{geo}$可到达的视线比例足够大（对于1年的轨道周期，f_{geo} ε> 2 \times 10^{-4}），则至少有一个事件可以在标称10 ^4 {deg}^2和0.5 mJ灵敏度下进行未来的盲测。我们的程序推广到其他通量有限的调查，旨在调查EM签名与合并SMBH二进制产生的许多调制。
2011-09-07 astro-ph.CO gr-qc
Probing supermassive black hole mergers and stalling with pulsar timing arrays
对合并超大质量黑洞的引力波的观测将是变革性的：低频引力波背景的探测可以告诉我们超大质量黑洞是否合并以及如何合并，告知我们星系合并率和超大质量黑洞质量的知识，并使在纳赫兹频率下探测新物理的可能性成为可能。我们要做的就是时间探测器。
2019-01-21 astro-ph.IM gr-qc
Decoupling of a supermassive black hole binary from its magnetically arrested circumbinary accretion disk
该研究首次模拟了磁捕获环双星吸积盘中超大质量黑洞双星的解耦过程，揭示了三阶段演化及磁通量爆发，对多信使瞬变有重要意义。
2024-10-30 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Accretion, Jets, and Recoil in a Merging Supermassive Black Hole Binary: A Prompt Electromagnetic Postmerger Counterpart for LISA
Rochester Institute of Technology（罗切斯特理工学院）
该研究通过三维广义相对论磁流体模拟，发现并合超大质量双黑洞的反冲遗骸能产生持续数小时的瞬态电磁辐射，为LISA探测提供并合后对应体。
2026-09-10 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Probing the Spins of Supermassive Black Holes with Gravitational Waves from Surrounding Compact Binaries
合并的致密黑洞（BH）双星可能存在于超大质量黑洞（SMBH）周围的核星团中，如Sgr A $^\ast$。它们也可能形成于活动星系核的吸积盘中。这种紧凑的双星可以发射低频带（0.001-1 Hz）的引力波（GW），可以被几个计划中的星载GW天文台探测到。我们表明，紧凑的二进制的轨道轴可能会经历显着的变化，由于与SMBH的自旋的帧拖动效应。轨道轴的动力学行为可以被理解为一种共振现象。我们表明，二进制轨道轴的变化率编码的SMBH的自旋信息。因此，从SMBH周围的致密双星中探测GW，特别是与双星轨道轴变化相关的波形调制，可以为SMBH的自旋提供新的探测。
2022-01-24 astro-ph.HE gr-qc
Detection and parameter estimation of supermassive black hole ringdown signals using a pulsar timing array
本文提出基于似然与粒子群优化的方法，利用大规模脉冲星计时阵列探测超大质量双黑洞铃宕信号，实现高探测概率并检验无毛定理。
2025-03-29 astro-ph.HE gr-qc
The Bardeen-Petterson effect, disk breaking, and the spin orientations of supermassive black-hole binaries
超大质量黑洞双星的合并是由动力学摩擦、单个恒星的损失锥散射、盘迁移和引力波发射驱动的。预计有两种主要的形成情况。在缺乏气体的星系环境中形成的双星不会经历盘迁移，并且可能进入具有大致各向同性自旋方向的引力波主导阶段。相比之下，在富含气体的星系环境中演化的双星可能会经历显著的盘吸积阶段，其中Bardeen-Petterson效应使黑洞的自旋与盘的轨道角动量对齐。然而，如果吸积盘破坏了对齐，则预期对齐将被强烈抑制--这是最近显示在参数空间的大部分中发生的现象。本文首次建立了一个考虑盘破裂影响的超大质量黑洞双星气体驱动迁移和自旋排列的半解析模型。我们的模型预测不同的二进制亚群的发生取决于自旋对齐的效率。这意味着未来对合并黑洞的引力波观测可能被用于（i）区分富气和贫气宿主，以及（ii）限制扭曲的吸积盘的动力学。
2023-02-02 astro-ph.HE gr-qc
A Second Decoupling Between Merging Binary Black Holes and the Inner Disc--Impact on the Electromagnetic Counterpart
两个超大质量黑洞（SMBH）的合并会产生强大的引力波（GW）辐射，如果附近存在气体，还会产生电磁（EM）辐射。在标准的图像中，当双星从环双星盘中“挤压”出来并开始在次级轨道内“挤压”盘时，会产生EM爆发，导致其快速吸积到主黑洞上。在这里，我们使用分析论证和数值模拟来表明，SMBH约$20~R_S$内的圆盘在合并中幸存下来，而不会被耗尽。其原因是“第二次解耦”：由于潮汐加热和低效冷却，内部圆盘变厚，有效地与双星的相互作用解耦。我们表明，这第二次去耦淬火盘${\cal O}(10^2)$天聚结前的热源。这将使峰值UV/X射线光度明显弱于以前的想法。合并后，残留的圆盘冷却并膨胀，与外圆盘合并，而不是完全吸积。这导致连续的EM发射，阻碍了早期研究中提出的截止和重新变亮的检测。
2016-10-28 astro-ph.HE gr-qc
High-energy signatures of binary systems of supermassive black holes
上下文由超大质量黑洞组成的双星系统在合并之前被认为是长引力波的强源。这些系统是用即将到来的空间探测器进行观测的良好候选系统。然而，迄今为止，只有少数这些系统得到了确定。目的。我们的目的是提供一个标准的基础上的高能量发射的相对论性喷流发射的两个黑洞中最大的质量的特点，一些超大质量黑洞双星的识别。方法.我们研究了超大质量黑洞双星，其中质量较小的黑洞在环双星盘上刻了一个环形间隙，但仍然有一个稳定的质量流穿过它的轨道。在某些区域，这样的扰动盘比标准的薄盘更热，更亮。假设喷流中含有相对论性电子，我们计算了其宽带谱能量分布，重点是盘光子的逆康普顿上散射。我们还计算了不透明度的伽玛射线在射流中产生的光子湮灭与磁盘辐射，并考虑到从射流中看到的目标光子场的各向异性的影响。结果我们发现，过量的低能量光子辐射的扰动盘导致的增量在外部康普顿发射的射流在X射线波段，和深吸收功能的能量为几十TeV的一些参数。根据我们的研究结果，切伦科夫望远镜的观测可能有助于识别超大质量黑洞双星，特别是那些拥有太阳质量从数千万到数亿的原色的黑洞双星。
2016-02-25 astro-ph.HE gr-qc
Finding Supermassive Black Hole Binary Mergers in Pulsar Timing Array Data
Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)（马克斯·普朗克引力物理研究所（爱因斯坦研究所））；Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学）
本文提出利用完整波形模型在脉冲星定时数组数据中搜索超大质量黑洞二元体合并，通过模拟数据验证了参数估计方法，并指出记忆效应的简化模型会导致偏误。
2026-04-16 astro-ph.HE gr-qc
Recoil geometry determines electromagnetic counterparts from supermassive black hole merger remnants
Princeton University（普林斯顿大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
研究探讨反冲几何对超大质量黑洞合并后电磁信号的影响，通过相对论磁流体力学模拟揭示不同反冲方向下的喷流和盘行为差异，为多信使观测提供理论支持。
2026-03-27 astro-ph.HE gr-qc
Quiescent and active galactic nuclei as factories of merging compact objects in the era of gravitational-wave astronomy
银河系核心拥有一个中央超大质量黑洞（SMBH），可能被一个致密的核团（NC）包围，代表了极端的环境，其中包含许多物理过程的复杂相互作用，这些物理过程独特地影响恒星的形成，演化和动力学。黑洞（BH）和中子星（NS）合并发出的引力波（GW）的发现，汇集了大量的工作，集中在理解紧凑物体双星（COB）如何配对和合并在一起。在这里，我们回顾从理论的角度来看，不同的机制如何同意的形成，演化和合并的COB周围的静止SMBH和活动星系核（AGN），总结当前和未来（GW）的检测的主要预测，并概述了可能的功能，可以清楚地标记一个星系核的起源。
2023-02-27 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Evolution of Stellar Orbits Around Merging Massive Black-Hole Binary
考虑黑洞自旋引起的广义相对论效应，研究了大质量或超大质量黑洞（BH）并合双星周围恒星的长期轨道演化。当BH自旋与双星轨道角动量相比很重要且不重合时，环双星的轨道轴（$\hat{\mathbf{l}}$）在引力辐射驱动的双星轨道衰变过程中会经历显著的演化。考虑到BH的自旋效应，我们发现从近共面的轨道取向开始，无论BH双星的初始自旋取向如何，环联星的轨道轴$\hat{\mathbf{l}}$都优先向BH双星合并后的自旋方向演化.这种对准现象，即，在$\hat{\mathbf{l}}$和反射BH $\hat{\mathbf{S}}$的自旋轴之间的小的最终失准角，可以使用绝热不变性原理来分析地理解。对于具有极端质量比（$m_2/m_1\lesssim0.01$）的BH双星，由于绝热不变性的破坏，$\hat{\mathbf{l}}$可能经历更复杂的演化，但是当初始双星的自旋轨道角相对较小时，排列的趋势仍然相当好。我们的结果表明，恒星轨道的取向和中心BH的自旋轴之间的相关性可以提供一个潜在的签名的合并历史的大质量BH。
2022-04-28 astro-ph.HE gr-qc
Detectability of modulated X-rays from LISA's supermassive black hole mergers
LISA的中心目标之一是探测来自超大质量黑洞合并的引力波。与恒星质量的黑洞合并相反，由于环双星盘的物质吸积到黑洞上，这种事件预计将是丰富的X射线源。合并前的轨道动力学也被认为会通过多普勒增强以准周期的方式调制所产生的X射线发射，并且与来自黑洞螺旋的引力波有简单的相位关系。探测到X射线源将使双星的精确和早期定位成为可能，从而使许多望远镜能够观察到合并的时刻。虽然由于存在许多混淆点源，在相对大的LISA天空定位中识别正确的X射线源将是具有挑战性的，但是准周期调制可以帮助识别。我们探讨了这种想法的实际可行性。我们模拟人口合并超大质量黑洞，他们的检测与LISA和他们的X射线光变曲线使用一个简单的模型。以NASA瞬变天体物理探测器上的X射线望远镜的参数为基础，设计并模拟了一个在LISA仍在观测黑洞内旋时寻找调制X射线源的观测活动。假设一个基准的LISA检测率$10$合并每年在红移接近$3.5$，我们预计一些调制X射线对应物的检测在名义上持续时间的LISA任务。
2019-12-06 astro-ph.HE gr-qc
Slowly decaying ringdown of a rapidly spinning black hole II: Inferring the masses and spins of supermassive black holes with LISA
本研究预估LISA探测极端质量比并合时，快速自旋超大质量黑洞的质量与自旋测量误差，表明高角向模式激发可提高精度，近极端情形下误差分别约1%和0.1%。
2024-03-19 astro-ph.HE gr-qc
Parameter Distributions of Binary Black Hole Mergers Near Supermassive Black Holes as Seen by Advanced Gravitational Wave Detectors
星系核中的超大质量黑洞周围环境可能存在恒星质量的双黑洞。这些双星被认为与SMBH形成了一个等级三元系统，并且SMBH的引力扰动可以通过Lidov-Kozai（LK）振荡增强BBH的合并。以前的研究确定了预期的二元参数分布，这种合并渠道在单一的GN。在这里，我们考虑了SMBH周围BBH的不同空间分布和质量分布模型，并进行了直接的高精度正则化N体模拟，包括后牛顿（PN）项高达PN2.5阶，在单个GN中合并BBH种群。我们使用一个完整的吸气合并振铃波形模型的BBH与非零偏心率，并考虑到观测的选择效应，以确定一个单一的先进的引力波（GW）探测器检测到的LK引起的BBH的参数分布在宇宙中的所有GN。我们发现被探测到的合并双星的总质量分布向低质量方向倾斜，质量比分布大致均匀。红移分布的峰值在~0.15-0.55之间，绝大多数的联星会在~1.1的范围内合并。进入LIGO/Virgo/KAGRA波段的剩余偏心率>0.1的双星比例低于~ 10%。我们确定了剩余偏心率和质量参数之间的负相关性和剩余偏心率和源距离之间的负相关性。我们的参数分布和二元参数之间的相关性的结果可能会解开这个合并通道从其他BBH合并通道统计。
2022-12-06 astro-ph.HE gr-qc
The Use of Binary Black Holes Merging in AGN Disks for Hubble Constant Measurements
本研究以AGN J124942.3+344929中的双黑洞并合候选体为多信使案例，验证了AGN盘中距超大质量黑洞一定距离的并合事件环境效应可忽略，测得哈勃常数并结合GW170817先验优化约束，证明AGN环境可作为引力波宇宙学研究的可行实验室。
2025-05-16 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
A gravitational wave afterglow in binary neutron star mergers
我们详细研究了快速旋转中子星的f-模长期不稳定性，重点放在没有稳定的非旋转对应物的超大质量模型。这样的中子星被认为是两颗标准质量的中子星合并的一般结果。此外，我们考虑到强磁场和r模式的不稳定性，可以消耗大量的角动量的影响。我们发现超大质量中子星发射的引力波信号在20 Mpc的距离上可以达到Advance LIGO的灵敏度以上，大大提高了爱因斯坦望远镜的探测能力。事件发生率将与合并率处于同一量级，而对信号的分析将携带合并后中子星的状态方程和磁场强度的信息。
2015-10-02 astro-ph.HE gr-qc
Waltzing binaries: Probing line-of-sight acceleration of merging compact objects with gravitational waves
本研究探讨了利用LIGO-Virgo-KAGRA、下一代探测器及DECIGO探测致密双星并合事件视线加速度的前景，首次对GW170817和GW190425施加观测约束，并预测了未来各探测器的加速度精度。
2023-07-13 astro-ph.HE gr-qc
Towards supermassive primordial black holes from inflationary bubbles
本研究探讨暴胀气泡演化成超大质量原初黑洞（SMPBHs）的机制，分析亚临界气泡通过隧穿贡献SMPBHs的可能，提出SMPBHs初始成团机制以提升双体并合率，解释NANOGrav信号。
2023-12-19 astro-ph.CO gr-qc
Detecting triple systems with gravitational wave observations
激光干涉引力波天文台（LIGO）最近发现了合并黑洞双星发射的引力波。我们研究未来的GW检测是否可以识别三重同伴合并二进制文件。这样一个三重伴星会导致GW信号的变化，这是由于（1）在围绕质心的轨道上沿着视线的路径长度变化，（2）相对论性波束、多普勒和引力红移，（3）三重伴星的引力场中“光”旅行时间的变化，以及（4）轨道要素的长期变化。我们发现，在LIGO频带中花费最长时间的低质量紧凑型天体双星，探测三重伴星的前景是最高的。特别是，对于合并中子星双星，LIGO可以检测到一个信噪比为8的白矮星或M-矮星扰动，如果它是在0.4太阳半径距离的双星和系统是在100 Mpc的距离。恒星质量（超大质量）的黑洞扰动可以在5倍（1000倍）的距离上被探测到。这样的微扰在轨道上合并的二进制发射GWs在1兆赫以上的频率可检测的激光干涉仪空间天线（LISA）的巧合。
2016-04-19 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Spin alignment and differential accretion in merging black hole binaries
超大质量黑洞双星和周围吸积盘之间的相互作用既可以帮助双星螺旋上升，也可以使黑洞自旋与盘角动量对准。双星迁移是由于环双星盘内的角动量转移，而自旋对准过程是由每个黑洞上的质量吸积驱动的。因此，不同盘部件之间的质量传递将内旋和对准过程耦合在一起。预计质量会从双星清理出来的空洞中泄漏出来，并优先吸积到较轻的（次级）黑洞上，因为它的轨道更靠近圆盘边缘。较重的（主）黑洞的低吸积速率减慢了对齐过程。我们重新审视了这个问题，并建立了一个半解析模型来描述气体驱动的内旋和自旋排列之间的耦合，发现质量比q<~0.2的双星接近引力波驱动的内旋的差异失调：光的秒阻止初级对齐。在强引力区，具有未对准主色的二元黑洞是进动效应的理想候选者，并且可能遭受适度大（~1500 km/s）的反冲速度。
2015-07-01 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
The merger of spinning, accreting supermassive black hole binaries
Rochester Institute of Technology（罗切斯特理工学院）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；NASA Goddard Space Flight Center（美国宇航局戈达德太空飞行中心）
研究通过数值模拟揭示了自旋并合吸积超大质量黑洞双星在并合过程中的多信使辐射特性，发现热光子与喷流辐射在时间上的关联性及并合后光变曲线特征。
2025-12-03 astro-ph.HE gr-qc physics.comp-ph
Amplification of superkicks in black-hole binaries through orbital eccentricity
我们提出了新的数值相对论模拟偏心合并黑洞与最初的反平行自旋躺在轨道平面（所谓的\emph{superkick}配置）。双星的偏心率使合并残余物的反冲力增加到$25\%$。能通量的增加是温和得多，因此这种反冲增强主要是由于在二元动力学的不对称性。我们的发现可能会对恒星质量黑洞在星团中的保留和星系宿主中的超大质量黑洞产生重要影响。
2020-01-23 astro-ph.HE gr-qc
Accretion onto a Supermassive Black Hole Binary Before Merger
本文首次通过相对论磁流体模拟研究超大质量双黑洞并合前的吸积动力学，揭示吸积率平台、迷你盘振荡与倾斜、磁通量倍增等特征，并预测可能产生独特电磁信号，同时提出PWMHD多块方法大幅降低计算成本。
2024-01-16 astro-ph.HE gr-qc
Discovery of a close-separation binary quasar at the heart of a z~0.2 merging galaxy and its implications for low-frequency gravitational waves
在脉冲星定时阵列（PTA）可以探测到的纳赫兹频率上，质量为10^8- 10^9兆太阳的超大质量黑洞（SMBH）双星对尚未探测到的引力波背景（GWB）信号的贡献预计占主导地位。我们目前缺乏坚定的经验限制的幅度GWB由于缺乏确认SMBH二进制文件在所需的质量范围。利用HST/WFC 3图像，我们发现了一个z~0.2的类星体，它位于星系SDSSJ 1010 +1413中心的合并残余物中，该残余物具有两个紧密分离的（0.13“或~ 430 pc）连续核。这两个核心在空间上与两个强大的发射[OIII]的点源重合，它们具有类星体的光度（L_AGN ~ 5x10^46 erg/s，表明存在一个束缚SMBH系统，每个系统的M_BH > 4x10^8 Msun。我们对SMBH对的合并时间尺度设定了25亿年的上限，大约是z~0.2的宇宙回望时间。可能有一群类似SDSSJ 1010 +1413的类星体双星，它们对随机GWB有贡献，应该在未来几年内被探测到。如果没有检测到GWB，这可能表明SMBH只在非常长的时间尺度上合并，在许多哈勃时间内保持紧密分离的双星，即所谓的“最终秒差距问题”。
2019-07-08 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
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
Relativistic Mergers of Supermassive Black Holes and their Electromagnetic Signatures
从超大质量黑洞的合并事件中同时探测电磁波（EM）和引力波（GW）特征是下一个观测上的重大挑战。这种探测将提供研究宇宙演化和与这些巨大的紧凑物体有关的吸积过程的手段。更一般地说，这些观测将使广义相对论能够在强非线性状态下得到检验，并将提供独立的高精度宇宙学测量。因此，了解在超大质量黑洞合并过程中出现EM和GW签名重合的条件是至关重要的。作为实现这一目标的重要一步，我们提出的结果，从第一个完全广义相对论，流体动力学研究的后期螺旋和合并的等质量，旋转超大质量黑洞二进制的气体云。我们发现，与GWs相关的可变EM签名可以出现在合并系统中作为冲击和吸积结合相对论光束效应的结果。最引人注目的EM可变性观察到的自旋与轨道轴对齐的系统，其中轨道黑洞形成一组稳定的密度尾流，但所有的系统都表现出一些特征签名，可用于搜索EM同行。在激光干涉仪空间天线可观测到的最大质量的双星的情况下，计算的光度意味着它们可以通过EM搜索到z = 1来识别，而低质量的系统和沉浸在低密度环境气体中的双星只能在局部宇宙中检测到。
2010-04-13 astro-ph.CO gr-qc
Birth, life, and death of black hole binaries around supermassive black holes: dynamical evolution of gravitational wave sources
本文探讨了超大质量黑洞周围恒星黑洞双星的形成和演化机制。我们发现，动力学相互作用可以有效地驱动“原位”BHB的形成，如果SMBH是由一个巨大的核集群（NC）包围，而轨道分离的星团可以补充SMBH为主的核中的BHB水库。我们讨论了恒星硬化和质量分离的共同作用如何塑造BHB轨道特性。我们使用直接N体模拟，包括后牛顿修正高达2.5阶的研究BHB-SMBH的相互作用，表明Kozai-Lidov机制在缩短双星寿命中起着至关重要的作用。我们发现，合并概率弱依赖于SMBH质量的$10^6-10^9{\rm ~M}_\odot$质量范围内，导致合并率$Γ\simeq 3-8$年$^{-1}$ Gpc $^{-3}$在红移为零。几乎$40\%$的合并在“BH质量间隙”，$50-140{\rm ~M}_\odot$的质量，从而表明星系核是理想的地方形成BH在这个质量范围。我们认为，引力波（GW）源的组件质量$m_1>40{\rm ~M}_\odot$和$m_2<30{\rm ~M}_\odot$将代表一个强有力的指示星系核的起源。这些合并中的大多数可能是本地宇宙中的多波段GW源：几乎$40\%$可能被LISA视为偏心源，几年后，LIGO和爱因斯坦望远镜将其视为圆形源，使DECIGO这样的分赫兹天文台成为独特的仪器，可以在双星螺旋期间进行观测。
2020-02-10 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Could supermassive black holes be quintessential primordial black holes?
越来越多的观测证据表明，在银河系隆起中存在着一群超大质量黑洞。我们详细研究的条件下，这些黑洞必须起源于原始黑洞（PBH）。我们认为合并和吸积的历史所经历的SMBH发现，虽然它是可能的，他们是由纯粹的天体物理过程形成的，这是不太可能的，最有可能的人口的原始祖先是必要的。我们确定了这个人口的质量分布和共动密度，然后提出了一个宇宙学的情况下产生PBH与正确的属性。虽然这不是必要的，但我们考虑的是在暴胀期结束时产生的具有蓝色波动光谱的PBH。我们限制的频谱倾斜的值，以获得所需的PBH共动密度。然后，我们假设PBH增长的吸积的精髓，表明他们的质量规模像地平线质量，而精髓领域本身的规模。我们发现，如果尺度是打破前nucleosynthesis（如一些有吸引力的非最小耦合模型的情况下），我们得到适当的PBH质量分布。霍金蒸发在大多数情况下是可以忽略的，但我们也讨论吸积和蒸发的相互作用是相关的情况。
2002-04-29 astro-ph gr-qc hep-ph
Merging of unequal mass binary black holes in non-axisymmetric galactic nuclei
本文研究了合并星系核中心区域不等质量超大质量黑洞（SMBH）双星的恒星动力学硬化。我们提出了一套全面的直接$N$体模拟的问题，不同的总质量和质量比的SMBH二进制（SMBHB）。模拟进行了$φ-$ GPU $N$体代码，这使我们能够充分利用配备图形处理单元（GPU）的超级计算机。作为一个模型的星系核，我们采用了初始的轴对称，旋转模型，旨在再现星系合并事件中出现的星系核的属性，包含两个SMBH最初未绑定。我们没有发现“最终秒差距问题”，因为我们的SMBH倾向于配对和收缩，而没有显示出明显的停滞迹象。这证实了早期的结果，并将其扩展到大粒子数和旋转系统。我们发现，SMBHB硬化依赖于通过一个单一的参数函数的二进制约化质量比。我们的研究结果表明，在一个固定的SMBHB主要质量值，高度不对称的二进制文件的合并时间是四个数量级小于等质量的二进制文件。这可以显著影响可能作为引力波源可检测的SMBH的数量。
2022-07-26 astro-ph.GA gr-qc
The spin-flip phenomenon in supermassive black hole binary mergers
大质量黑洞合并将是低频强大引力波的主要来源，并将允许测试广义相对论与候选星系接近的二元黑洞合并。在本文中，我们确定了两个黑洞的典型质量比，但随后表明，当引力辐射成为主要耗散效应（动力学摩擦）的距离并不取决于质量比。然而，在引力波发射区的动力学演化却可以。对于典型的质量比范围，合并的最后阶段之前是一个快速的进动和随后的主黑洞的自旋翻转。这已经发生在螺旋阶段，因此可以通过后牛顿技术进行分析描述。然后，我们确定的无线电星系与超级磁盘的快速旋进射流有效地产生强大的风，夹带环境气体产生厚盘的外观。因此，这些特定的星系是两个黑洞合并的候选者，在天文学上不久的将来就会发生。
2009-05-15 astro-ph gr-qc
Model for common growth of supermassive black holes, bulges and globular star clusters: ripping off Jeans clusters
假设一个星系开始时是一个由几百万个金斯星系团（JC）组成的暗晕，每个星系团都由近万亿个微型褐矮星组成，这些微型褐矮星是地球质量的MACHO。星系中心的JC通过潮汐力加热它们的MACHO，使它们膨胀，从而发生凝聚和恒星形成。由于不断地从绕过JCs的物质中获得能量，中心恒星可能会变成一个超大质量的黑洞。它在最初的百万年期间具有快速的$t^3$增长，而在千兆年期间具有缓慢的$t^{1/3}$增长。与这个黑洞的近距离接触所破坏的JC可以为凸起提供物质。那些幸存下来的恒星可能会非常激动，以至于它们在内部形成恒星并成为球状星团。因此，黑洞大多数是在它们自己的环境中与银河系的凸起一起出现的，并且与最古老的球状星团一样古老。恒星HE 1523 - 0901的年龄为13.2 Gyr，这表明星系晕在那一刻已经充分聚集。恒星的形成速率在黑洞质量$\sim4 \ 10^7M_\odot$和球核质量$\sim5\,10^{10}M_\odot$处有一个最大值。在合并超大质量黑洞的情况下，通过银河系中心附近的JC提供了理想的帮助，以克服最后的秒差距。
2013-02-01 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Gravitational glint: Detectable gravitational wave tails from stars and compact objects
激光干涉引力波天文台（LIGO）在引力波和电磁辐射光谱中对合并中子星双星的观测表明，引力波在真空中的传播速度与光速相差不到四分之一。然而，长久以来，人们在数学上一直认为，当电磁波或引力波在弯曲时空中穿过真空时，波会形成传播速度更慢的“尾巴”。相关的信号被认为是不可检测的微弱。在这里，我们证明，引力波有效地散射的曲率来源于普通的紧凑的对象-恒星，白矮星，中子星，和行星-和某些候选人的暗物质，填充的零锥的内部。由此产生的“引力闪烁”应该很快就可以被探测到，并且可以被识别（除了行星），因为它是从非常接近主要来源的方向发出的主要信号的短暂延迟回波。这为使用引力探测和测距（GRADAR）来绘制宇宙地图，对大质量紧凑物体进行全面普查，并最终探索其内部开辟了前景。
2022-01-10 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
A Higher Probability of Detecting Lensed Supermassive Black Hole Binaries by LISA
引力波的引力透镜是探测宇宙中物质分布的有力工具。在这里，我们重新审视暗物质（DM）晕合并的大质量黑洞双星（MBHB）的GW信号引起的波动光学效应，我们研究的可能性辨别这些影响使用激光干涉仪空间天线（LISA）。特别是，我们包括晕在低质量范围内的$\rm 10^5-10^8\, M_\odot$，因为他们是最多的根据冷DM模型。我们模拟了对应于大范围的碰撞参量的透镜信号，并且我们发现即使当影响参数为大$y\simeq50$时，也与标准最佳拟合GW模板有可区分的偏差。因此，我们估计，超过$(0.1-1.6)\%$的MBHB在质量范围的$\rm 10^{5.0}-10^{6.5}\, M_\odot$和红移范围的$4-10$应该表现出可检测的波动光学效应。这个概率是一个数量级高于在以前的作品中得出的。不确定性主要来自DM晕的质量函数。在LISA任务期间没有检测到任何信号意味着带有$\rm 10^5-10^8\, M_\odot$的DM晕比冷DM模型预测的要少。
2022-02-11 astro-ph.CO gr-qc
The typical mass ratio and typical final spin in supermassive black hole mergers
我们证明了合并的超大质量黑洞（SMBH）通常既没有相等的质量，也不是他们的质量比太极端。大多数这样的合并落在1：30到1：3的质量比范围内，这意味着在内旋过程中的自旋翻转。我们还提出了一个简单的表达式为新兴的SMBH的最终自旋$χ_{f}$，作为质量比，初始自旋幅度和自旋相对于轨道平面和彼此的取向的函数。该公式很好地近似了从与数值模拟的拟合中获得的更繁琐的表达式。通过对旋进合并的所有可能性相等的方向进行积分，我们确定了最终自旋分布的一个较低的近似值，该近似值仅作为质量比的函数。通过折叠与导出的质量比相关的合并率，我们得出一个下界的典型的最终自旋值合并后。我们重复的程序推导出一个上限的情况下，当自旋的轨道角动量对齐的典型自旋，这样就没有在系统中的进动。作为初始自旋的函数的$χ_{f}$的两个斜率都小于1，分别导致在$χ_{f}^{prec}=0.2$和$χ_{f}^{align}=0.45$处的两个吸引子。真正的合并，由于与环境（吸积，宿主星系等）的相互作用而偏向于部分对齐。将产生位于这两个极限值之间的典型的最终自旋。这些是合并后自旋的典型值，从这些值开始，通过进一步的气体吸积可以建立自旋。
2012-08-26 astro-ph.GA gr-qc
Constraining the Stochastic Gravitational Wave Background with Photometric Surveys
随机引力波背景（SGWB）的探测对于理解黑洞的种群分布，特别是对于超大质量黑洞双星的种群分布是至关重要的。最近来自各种脉冲星定时阵列（PTA）合作的有希望的结果暗示了即将到来的检测。本文研究了相对天体测量引力波的探测方法，为微赫兹波段的SGWB研究提供了有益的参考。我们认为罗马太空望远镜和盖亚作为候选人，并定量讨论了调查的频率和空间域的灵敏度。我们强调调查的重要性，具体的约束性能估计考虑平均视场（FoV）信号减法和角功率谱分仓。我们的结论是，如果SGWB是在一个类似的水平，在PTA的估计，罗马和盖亚有可能检测到这种频域功率过剩。然而，罗马和盖亚都受到FoV限制，不太可能对SGWB的空间模式敏感。
2022-10-12 astro-ph.CO gr-qc
Dynamical friction and the evolution of Supermassive Black hole Binaries: the final hundred-parsec problem
原本位于两个合并星系核中的超大质量黑洞将在残余核心中形成双星。大质量双星的早期演化是由动力学摩擦驱动的，然后双星变得“硬”，并最终通过引力波发射达到合并。{我们考虑由次级黑洞组成的大质量双星的动力学摩擦演化，次级黑洞在由更大质量的中心黑洞控制的恒星尖点内运行。}在我们的治疗中，我们包括摩擦力的恒星移动速度比inspiralling对象，这是忽略了在标准的Sirrasekhar的治疗。我们表明，如果恒星尖点密度剖面上升不太陡比$ρ\propto r^{-2}$的二进制偏心率增加。在比$ρ\propto r^{-1}$浅的尖点中，由于缺乏比大质量天体运动速度慢的恒星，摩擦时标会变得非常长。虽然包含快速恒星会增加衰变率，但在足够大质量的星系中，低质量比双星（$q\lesssim 10^{-3}$）的衰变时间尺度比一个哈勃时间更长。在这样的小合并期间，次级孔在偏心轨道上停在初级孔的影响半径的十分之一量级的距离处（即，大质量椭圆星系的$\approx 10-100\rm pc$）。我们计算了作为宿主星系质量的函数的失速卫星的预期数量，并表明最明亮的星系团星系应该有$\gtrsim 1$这样的卫星轨道在其核心。我们的结果可以解释许多观测，包括核心椭圆星系中的多核现象，偏心活动星系核和偏心核盘。
2017-04-03 astro-ph.GA gr-qc
A new approach to constrain the Hubble expansion rate at high redshifts by gravitational waves
探测高红移的大质量双黑洞合并是LISA空间任务的一个目标。虽然BBH并合的个别质量是红移的，但BBH并合的质量比与它们的红移无关。因此，如果质量比和红移之间存在独立的相关性，这种关系可以用来i）推断合并双星的红移，并与光度距离测量（$D_L$）一起，限制宇宙在高红移$H(z)$的膨胀率，和ii）限制宇宙中超大质量黑洞种子形成的模型假设一个固定的宇宙学。我们讨论了为什么大质量BBH的质量比与它们的红移之间存在预期的关系，并通过分析BBH合并的宇宙学流体动力学模拟显示了这种关系的线索。这种方法开辟了直接测量红移$z \approx 2$膨胀率的可能性与LISA的第一次。此外，我们发现了种子质量和质量比的大规模BH本身是一个主要的结果，可以利用限制超大质量BH种子的形成方案之间的趋势。
2022-12-13 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Targeting supermassive black hole binaries and gravitational wave sources for the pulsar timing array
介绍了一种在Sloan数字巡天（SDSS）中寻找超大质量黑洞双星的方法。这项研究是基于千禧年模拟的模拟星系目录中发现的合并星系的特殊性质。MBHB被认为是脉冲星定时阵列（PTA）的主要引力波（GW）源，然而，目前还不清楚所观察到的GW信号是否会由几个单个MBHB产生，或者它是否具有随机背景的性质。这项工作的目标是制作一张天空地图，其中每个星系都被分配了最近遭受合并的概率，以及可以被PTA检测到的MBHB。这在理解预期的PTA信号方面向前迈进了一步：天空图可用于研究PTA源的聚类特性和可观测GW信号功率的空间分布;此外，具有最高概率的星系可用作针对单个GW源的目标搜索的输入。我们还调查了周围的星系托管MBHB的邻近星系的分布，发现最有可能检测到的PTA源位于密集的星系环境。在搜索中使用了不同的技术，包括贝叶斯和机器学习算法，具有一致的输出。我们的方法生成了一个被分类为MBHB主机的星系列表，可以与其他搜索相结合，以有效地减少错误分类的数量。SDSS的光谱覆盖范围不到天空的五分之一，并且在大红移时目录变得严重不完整;然而，这种技术可以在未来应用于更大的目录，以获得完整的，基于观测的预期GW信号的信息。
2014-03-05 astro-ph.CO gr-qc
Gravitational waves from merging intermediate-mass black holes : II Event rates at ground-based detectors
基于一个超大质量黑洞的动力学形成模型，我们估计了引力波在KAGRA或先进的LIGO/VIRGO等地面探测器上的观测轮廓。注意到第二代探测器在10 Hz及以上有足够的灵敏度（特别是KAGRA，因为它的位置在更少的地震噪音），我们能够探测到质量为$M < 2\times 10^3 M_\odot $的BH的衰荡引力波。这使我们能够检查BH合并到SMBH通过中等质量BH的序列。我们估计的星系晕形成模型的数密度和估计的BH合并的巨分子云模型假设合并的核心分层增长的数量。在设计的KAGRA（和/或先进的LIGO/VIRGO），我们发现，BH合并的总质量$M\sim 60M_\odot$是在预期的质量分布的峰值。利用其信噪比$ρ=10 (30)$，我们估计了最乐观情况下每年的事件率$R \sim 200 (20)$，并且我们还发现，对于$ρ=10$，在$M < 150 M_\odot$范围内的BH合并是每年的$R>1$。因此，如果我们在未来的引力波观测中观测到一个具有多于$100 M_\odot$的BH，我们的模型自然就能解释它的来源。
2017-02-02 astro-ph.GA gr-qc
Remnant Masses, Spins and Recoils from the Merger of Generic Black-Hole Binaries
我们得到的经验公式的最终残余黑洞的质量，自旋和反冲速度从合并黑洞二进制与任意质量比和自旋。我们的公式是基于质量比和自旋依赖性的后牛顿表达式的瞬时辐射能，线动量，角动量，以及ISCO结合能和角动量。不同项之间的相对权重由通过最近可用的完全非线性数值模拟的最小二乘拟合选择的幅度参数固定。这些公式可用于星系核和星系团的N体模拟以及超大质量黑洞的宇宙学生长的统计研究。作为一个例子，我们使用这些公式来获得一个普遍的自旋大小分布的合并黑洞和反冲速度分布的干和热/冷湿合并。我们也重新审视长期的轨道进动和共振，并讨论它们如何影响自旋分布之前的合并制度。
2010-04-20 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
An Acoustical Analogue of a Galactic-scale Gravitational-Wave Detector
通过精确地监测自然界最精确的时钟（毫秒钟）的“滴答声”，科学家们正试图探测由遥远的合并星系中心的超大质量黑洞的吸气产生的“时空涟漪”（引力波）。在这里，我们描述了一个相对简单的演示，使用两个节拍器和一个麦克风来说明脉冲星天文学家用来搜索引力波的几种技术。本演示的改编版本可用作本科阶段的教学实验室调查。
2018-03-14 astro-ph.IM gr-qc physics.ed-ph
Black holes as telescopes: Discovering supermassive binaries through quasi-periodic lensed starlight
University of Oxford（牛津大学）；Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)（马克斯·普朗克引力物理研究所（爱因斯坦研究所））
通过准周期性偏折恒星光发现超大质量双星，揭示其轨道演化及引力波检测预警。
2026-01-27 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Baryon-induced collapse of dark matter cores into supermassive black holes
研究提出重子气体亚爱丁顿吸积可使稳定费米子暗物质核越过临界质量并坍缩为SMBH，模型可解释高红移及并合星系中的超大质量黑洞快速形成。
2023-12-12 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
