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
Insights on the astrophysics of supermassive black hole binaries from pulsar timing observations
脉冲星计时阵列(PTA)是用来探测宇宙学上的超大质量黑洞(SMBH)双星产生的引力波背景的。在这篇文章中,我回顾了这样的GW背景的物理,突出其依赖于整体的二进制人口,SMBHs和他们的主机之间的关系,以及它们与恒星和气体环境的耦合。后者在驱动双星达到极端偏心率(e>0.9)时尤其重要,这可能是恒星驱动系统的情况。这导致低频信号的实质性抑制,可能对PTA观测的有效性构成严重威胁。未来的PTA探测将允许首次直接观察到次秒差距的SMBH二进制的GW驱动合并的方式,提供了重要的答案,这些壮观的源的形成和演变的物理相关的悬而未决的问题。
2013-07-09 astro-ph.CO
What is the source of the PTA GW signal?
本研究针对NANOGrav等发现的纳赫兹随机引力波背景的来源争议,通过多模型分析对比天体物理与多种宇宙学起源假说的拟合效果,同时提出可区分信号来源的实验特征。
2023-10-09 astro-ph.CO hep-th
On the complementarity of pulsar timing and space laser interferometry for the individual detection of supermassive black hole binaries
脉冲星定时阵列(PTA)和空间激光干涉测量(SLI)都是研究超大质量黑洞双星(SMBHB)产生的引力波的目标。先前已经提出了一种可能性,即首先由PTA跟踪单个SMBHB,通过inspiral,然后由SLI跟踪单个SMBHB,直到合并和振铃。虽然边界参数是由当前的PTA或即将到来的平方公里阵列(SKA),并由新的引力观测站(NGO),来自激光干涉仪空间天线(LISA),本文还讨论了顺序检测超出特定的项目限制。我们考虑PTA-SKA,它的灵敏度从10^(-9)到p x 10^(-7)Hz(p=4,8),以及SLI,它的工作频率从s x 10^(-5)到1 Hz(s = 1,3)。在2 x 10^(8)- 2 x 10^(9)太阳质量范围内的SMBHB(质量被归一化为(1+z)因子,红移位于z = 0.2和z=1.5之间)从PTA-SKA移动到SLI带的时间从2个月到50年不等。通过结合三个超大质量黑洞(SMBH)的主机关系与三个吸积处方,九个天体物理方案形成。然后,他们涉及到三个级别的脉冲星定时残差(50,5,1纳秒),产生27例。对于1 ns的残差,顺序检测概率永远不会优于4.7 x 10^(-4)y^(-2)或3.3 x 10^(-6)y^(-2)(按合并前每年和调查年计算),分别按最佳和最差天体物理设想计算;换句话说,这意味着每46年或550年进行一次连续检测,时间与合并的最长时…
2013-01-19 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Evidence of a Past Merger of the Galactic Center Black Hole
通过分析EHT对Sgr A*的成像与自旋特性,发现其自旋轴错位源于过去4:1质量比的黑洞主并合,为层级并合理论提供了观测支持。
2024-08-27 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Double-peaked Narrow-Line Signatures of Dual Supermassive Black Holes in Galaxy Merger Simulations
我们提出了一个新的物理处方,第一次尝试模型的窄线(NL)区域的活动星系核(AGN)的星系合并的流体动力学模拟。这个模型被用来确定双峰NL(dNL)活动星系核的起源合并星系和它们的连接到超大质量黑洞(SMBH)对,最近的观察,这样的对象的动机。我们发现由SMBH对的相对运动引起的dNL活动星系核是气体主合并的一个普遍但短暂的特征。dNL活动星系核通常出现在合并的后期,在SMBH螺旋上升的kpc尺度阶段或SMBH合并后不久。然而,即使在kpc尺度阶段,只有少数dNL活动星系核是由SMBH运动直接引起的,它们的寿命通常是几百万年。大多数双峰来自SMBH附近的气体运动学,尽管在SMBH合并之前,高达80%的所有dNL轮廓可能会受到SMBH运动的影响,通过改变峰比或速度偏移。dNL活动星系核的总寿命强烈地依赖于视角和合并星系的性质。此外,在一个典型的合并,至少10-40%的双峰所引起的SMBH运动有小的投影分离,0.1-1千秒差距,使恒星表面亮度的双峰不容易解决。弥散潮汐特征可以指示后期星系合并,尽管它们不能区分合并的SMBH对。我们发现,峰值速度分裂大于500 km·s^-1或具有可测量的总体速度偏移的dNL剖面通常与SMBH对有关。我们的研究结果支持的概念,选择dNL活动星系核是一个很有前途的方法,用于确定双SMBH候选人,但证明了高分辨率,多波长的后续观测的至关重要性,并使用多线的证据…
2012-12-03 astro-ph.CO
Mergers of Unequal Mass Galaxies: Supermassive Black Hole Binary Evolution and Structure of Merger Remnants
银河系中心是超大质量黑洞(SMBH)的居住地。星系合并使SMBH靠近在一起,形成引力束缚的双星系统,如果能够在不到哈勃时间内合并,将是激光干涉仪空间天线(LISA)最有希望的引力波来源之一。在球形星系模型中,SMBH双星在大约1秒差距的距离处停止,导致“最终秒差距问题”(FPP)。另一方面,已经表明,在等质量合并中,合并引起的残余物的三轴性能够支持所谓的向心轨道上的恒星的恒定供应,这些轨道与双星相互作用,从而避免FPP。在本文中,使用一组直接N体模拟合并的初始球对称星系具有不同的质量比,我们表明,合并引起的三轴性是能够驱动不等质量SMBH二进制合并。二元硬化率很高,并且在很宽的质量比q范围内仅微弱地依赖于SMBH的质量比。硬化率显着较高的星系有陡峭的尖点相比,那些在中心浅杯。二进制SMBH的演变导致合并残留物的中心相对较浅的内斜坡。在合并过程中被SMBH双星转移的恒星质量是SMBH双星合并质量的1-5倍。质量为~百万太阳质量的SMBH双星的合并时间小于1Gyr,质量在SMBH质量上端(~十亿太阳质量)的小偏心双星的合并时间为1- 2Gyr,而大偏心双星的合并时间小于1Gyr。因此,SMBH双星有望成为低红移和高红移的引力波源。
2012-02-09 astro-ph.CO
Exploring the spectrum of stochastic gravitational-wave anisotropies with pulsar timing arrays
本文建立了旋近超大质量黑洞双星群体产生纳赫兹引力波背景各向异性的解析模型,并表明高频段各向异性测量可揭示超出各向同性分量的新信息,同时预测了偏振各向异性水平。
2025-08-25 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
What is the origin of the JWST SMBHs?
针对JWST观测到的超大质量黑洞起源问题,提出基于扩展Press-Schechter形式的星系与SMBH演化半解析模型,发现并合效率为O(0.1)时重种子模型可同时匹配多类观测数据。
2024-10-31 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Understanding black hole mass assembly via accretion and mergers at late times in cosmological simulations
吸积被认为是整个宇宙时间中超大质量黑洞的质量积累历史的主要贡献。虽然这在高红移时可能是正确的,但在较低的红移和最大质量的黑洞合并本身可能会显着增加质量预算。我们发展SMBHs从$4 > z > 0$使用合并树来自流体动力学宇宙学模拟的集群和空隙区域,缩放到观测值的恒星质量分数占过冷。气体吸积的质量增加与膨胀增长和BH-BH合并成正比,因为是黑洞保持“轨道”,由于在合并残余物中的动力学摩擦不足,以及那些由于引力反冲而被弹出。我们发现,气体吸积仍然是主要来源的质量积累在几乎所有的SMBHs合并贡献$2.5\pm0.1\%$的集群中的所有SMBHs和$1.0\pm0.1\%$的空隙,因为$z = 4$。然而,合并对大型中小企业来说意义重大。对于中心黑洞来说,合并后积累的质量分数通常随着宿主核球质量的增大而增大:在空洞中,在$M_{*, bul} = 10^{10} M_{\odot}$处的质量分数为$2\%$,在$M_{*, bul} \gtrsim 10^{11} M_{\odot}$处的质量分数为$4\%$,在星团中,在$M_{*, bul} = 10^{10} M_{\odot}$处的质量分数为$4\%$,在$10^{12} M_{\odot}$处的质量分数为$23\%$。我们发现,$40\%$的SMBH和$\approx 8\%$的总SMBH质量被发现在$z = 0$的集群区域中…
2014-12-16 astro-ph.CO
Preferential Accretion onto the Secondary Black Hole Strengthens Gravitational Wave Signals
针对脉冲星计时阵列发现的引力波背景振幅偏大问题,本文提出并验证了次级黑洞优先吸积机制,发现仅需10%的质量增长即可使预测与观测一致,并增强LISA及LIGO信号。
2025-10-07 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
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
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
Cosmological Impacts of Black Hole Mergers: No Relief in Sight for the Hubble Tension
本文研究了通过黑洞并合将物质转化为引力辐射能否缓解哈勃张力,发现无论是超大质量黑洞还是恒星质量黑洞并合,均无法缓解该张力,且 Integrated Sachs-Wolfe 效应也无法有效约束相关机制。
2025-11-05 astro-ph.CO
Growing supermassive black holes in the late stages of galaxy mergers are heavily obscured
星系的合并被认为会导致大量的气体流入内部秒差距,这可以激活超大质量黑洞(SMBH)的快速吸积,从而产生活动星系核(AGN)。在这一过程的很大一部分,SMBH预计将被气体和尘埃笼罩。在硬X射线波段,辐射受吸收的影响较小,在不同的合并阶段,研究52个星系核中的红外选择的本地发光和超亮红外星系,我们发现,在合并的最后阶段,SMBHs周围的材料量增加。我们发现,在合并晚期星系中,康普顿厚度(CT,$N_{\rm\,H}\geq 10^{24}\rm\,cm^{-2}$)活动星系核所占的比例($f_{\rm\,CT}=65^{+12}_{-13}\%$)比局域硬X射线选择活动星系核($f_{\rm\,CT}=27\pm 4\%$)高,并且当两个合并星系的核处于$D_{12}\simeq0.4-10.8$千秒差距($f_{\rm\,CT}=77_{-17}^{+13}\%$)的投影距离时,暗度达到最大值。我们还发现,在我们的样本中,所有的晚期合并星系的活动星系核都有$N_{\rm\,H}> 10^{23}\rm\,cm^{-2}$,这意味着遮蔽物质覆盖了X射线源的$95^{+4}_{-8}\%$。这些观测结果表明,在星系合并的后期阶段,物质从星系尺度到几十秒差距内是最有效的漏斗,并且高级合并中的SMBHs的封闭环境相对于孤立星系中的SMBHs更富含气体和尘埃,并且不能用经典的AGN统一模型来解…
2017-03-20 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
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
The distribution of the gravitational-wave background from supermassive black holes
本研究针对超大质量黑洞引力波背景预测与PTA观测信号的差异,利用NANOGrav 15年数据的完整光谱信息,推导特征应变分布表达式并拟合分析,得出黑洞数量需比局地观测多约10倍等结论,并探讨了可单独探测的源天体数量。
2024-06-24 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
SMBH growth parameters in the early Universe of Millennium and Millennium-II simulations
我们从千禧年和千禧年II模拟中制作了黑洞(BH)合并树,以发现在什么条件下10^9 Msun SMBH可以通过红移z=7形成。为了利用这两个:大盒子大小的千禧年模拟和大质量分辨率的千禧年-II模拟,我们开发了一种方法,将这两个模拟结合在一起,并使用千禧年-II合并树预测BH种子中使用的千禧年合并树。我们运行多个半分析模拟SMBHs增长通过合并和事件的气体吸积引发的主要合并。作为约束,我们使用观测到的BH质量函数在红移z=6。我们发现,根据最近对中等超爱丁顿吸积的观测,只要吸积过程中的吸积是中等超爱丁顿吸积(fEdd =3.7),低质量种子(100 Msun)就可能是高红移SMBH(z~7)的祖先。
2015-06-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
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
Major Galaxy Mergers and the Growth of Supermassive Black Holes in Quasars
尽管观测到中央超大质量黑洞(SMBH)和星系核中恒星形成之间存在很强的相关性,但我们对它们之间耦合的理解存在不确定性。我们提出的观测的比例严重模糊,以unobscured类星体作为宇宙时代的函数z~3,并表明,一个简单的物理模型描述合并的大质量,富含气体的星系匹配这些观测。在这个模型的背景下,每一个被遮蔽和未被遮蔽的类星体都代表了两个不同的阶段,它们是由大规模星系合并事件造成的。SMBH的大部分质量增长发生在严重模糊阶段。这些观测结果为富含气体的星系合并、吸积到核SMBH和同时代恒星形成之间的因果关系提供了额外的证据。
2010-03-24 astro-ph.CO
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
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
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
Resolving Individual Signals in the Presence of Stochastic Background in Future Pulsar Timing Arrays
针对SKA时代PTA将同时观测到单个SMBH双星连续引力波与随机引力波背景的问题,本文改进F统计量以显式建模GWB,并在模拟数据中验证其可提升CGW位置与振幅估计。
2025-09-26 astro-ph.CO gr-qc
High-Redshift Merger Model for Low-Frequency Gravitational Wave Background
针对PTA探测到的GWB强度异常,提出纳入早期大质量高红移星系的“早期并合”模型,预测首个可探测单源有约30%概率为高红移大质量快速演化双星,为星系与SMBH演化提供新见解。
2024-08-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Astrophysical constraints on massive black hole binary evolution from Pulsar Timing Arrays
我们认为,可以从目前和未来可能的脉冲星定时阵列(PTA)的结果,仅从大规模的黑洞二进制人口和他们的形成历史的信息。我们使用模型的随机引力波背景的圆形大质量黑洞二进制与啁啾质量范围内$10^6 - 10^{11} M_\odot$演变完全是由于辐射反应。我们的参数化模型的黑洞合并的历史,使只有弱的假设的性质,黑洞合并在宇宙时间。我们表明,当前的PTA结果对黑洞合并密度设定了上限,该上限不取决于特定合并历史模型的选择,但它们没有提供有关红移或质量分布的信息。我们表明,即使在一个因素的幅度灵敏度增加10的检测结果的情况下,PTA只会把弱约束源合并密度作为质量的函数,并不会提供任何额外的信息的红移分布。如果没有额外的假设或来自其他观测的信息,探测就不能有意义地将大质量黑洞的合并率限制在零以上或任何特定质量。
2015-10-08 astro-ph.CO
Disentangling Multiple Stochastic Gravitational Wave Background Sources in PTA Datasets
在NANOGrav合作组织、欧洲脉冲星定时阵列(PTA)、Parkes PTA和国际PTA的最新数据集中,有了强有力的共同谱随机过程的证据,评估可能对随机引力波背景(GWB)有贡献的几个天体物理和宇宙学源的影响至关重要。使用与Pol等人(2021)相同的数据集创建和注入技术,我们通过创建单个和多个GWB源数据集来评估多个GWB的可分性。我们搜索这些注入源使用贝叶斯PTA分析技术,以评估恢复和分离的多个天体物理和宇宙学背景。对于一个由超大质量黑洞双星引起的GWB和一个由GW能量密度比为$Ω_{\mathrm{PGW}}/Ω_{\mathrm{SMBHB}} = 0.5$的原始引力波引起的潜在较弱背景,第二个过程的贝叶斯因子在17年时超过1,并随着额外的数据而增加。在20年的数据,我们能够约束较弱的GWB在这个密度比的光谱指数和振幅的分数不确定性为64%和110%,分别使用当前的PTA方法和技术。使用这些方法和研究结果,我们概述了一个基本协议,以搜索在未来的PTA数据集的多种背景。
2022-08-05 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
Predictions for LISA and PTA based on SHARK galaxy simulations
我们提出了我们的分析的一组人口的大规模黑洞(MBH)的二进制文件中产生的星系演化的半解析模型(SHARK)。我们专注于研究MBH合并过程中产生的引力波(GW)发射,在他们的探测能力与当前和未来的探测器,即脉冲星定时阵列(PTA)和激光干涉仪空间天线(LISA)。SHARK的主要优点是,它提供了一种在一致的框架内探索MBH和星系演化过程的一些不同模型的方法,并且还成功地对电磁观测的当前限制进行了测试。在我们的工作中,我们研究了12个不同的模型,在他们的MBH种子形成的情况下,我们测试了两个不同的MBH增长和反馈模型。根据我们的估计,我们发现,LISA将能够检测到几个到几十个合并事件,每年的最大和最小规模的种子场景,分别。我们还表明,这种关系的强度取决于MBH增长模型,在最极端的情况下,我们发现两倍的检测到的事件相同的初始种子质量。最后,我们估计在nHz频率的GW背景的振幅为$1.4\cdot10^{-16} - 1.1\cdot10^{-15}$的顺序。这个值完全取决于星系合并和它们的MBH之间的时间延迟。
2022-02-13 astro-ph.CO astro-ph.GA
Future merger of the Milky Way with the Andromeda galaxy and the fate of their supermassive black holes
我们的银河系和附近的仙女座星系(M31)是本星系群中质量最大的成员,尽管两个星系的相对运动还不确定,但它们似乎是一对结合在一起的星系。多项研究表明,这两个星系将有可能在未来4 $-$ 5 Gyr进行近距离接近。我们使用直接的$N$体模拟来模拟这种相互作用,以揭示银河系-仙女座系统的未来,并首次探索位于其中心的两个超大质量黑洞(SMBH)的命运。我们研究了两个星系的相对运动的不确定性,与它们移动的初始速度和漫射环境的密度有关,如何影响它们合并并形成"Milkomeda“所需时间的估计。在星系合并之后,我们跟随它们的两个SMBH的演化直到它们的紧密配对和融合。根据基准参数集,我们发现银河系和仙女座将在未来4.3 Gyr内最接近,并在10 Gyr的跨度内合并。虽然第一次相遇的时间与其他预测一致,但我们发现合并发生的时间比以前估计的要晚。我们还表明,这两个SMBH将螺旋在Milkomeda的内部区域合并后,在不到16.6百万年。最后,我们评估了由SMBH的螺旋引起的引力波发射,我们讨论了通过下一代引力波探测器在附近的宇宙($z\leq 2$)中的类似SMBH合并的可探测性。
2021-02-22 astro-ph.CO astro-ph.GA
Compact Binary Merger Rate with Modified Gravity in Dark-Matter Spikes
本研究探讨了修正引力对超大质量黑洞周围暗物质尖峰内致密双星并合率的影响,发现修正引力预测的并合率高于广义相对论,并结合 LIGO-Virgo 观测约束了理论参数和 PBH 丰度。
2024-10-22 astro-ph.CO gr-qc
Missing black holes in brightest cluster galaxies as evidence for the occurrence of superkicks in nature
我们研究了超反冲对宇宙中最亮星系团中超大质量黑洞的影响。有强有力的观测证据表明,BCGs在后期显著增长(从z=1开始,质量增加到2-4倍),主要是通过与星系团中的卫星星系合并,并且它们被认为是有史以来观测到的最大质量的SMBH。预计这些SMBH也将分层增长,与合并卫星带来的其他SMBH进行一系列合并。由于非对称引力波发射带走了净线性动量,剩余的SMBH经历了相反方向的反冲。反冲可能高达~5000 Km/s(“超级反冲”),将SMBH推出星团外围,其时间相当于星系演化的时间尺度。我们预测,在一些合理的假设下,超级反冲可以有效地从BCGs中喷出SMBH,使它们在本地宇宙中的占据比例降低到0.9<f<0.99的可能范围。未来像ELT和TMT这样的30米级望远镜将能够测量z=0.2的数百个BCG中的SMBH,测试自然界中超级反冲的发生和SMBH合并的强引力状态。
2014-10-01 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
First Light And Reionization Epoch Simulations (FLARES) -- XIX: Supermassive black hole mergers in the early Universe and their environmental dependence
本研究利用 FLARES 宇宙学流体动力学放大模拟分析 $z=5$–10 的 SMBH 并合及其环境依赖,并预测 LISA 对高红移并合事件的探测率与模型敏感性。
2025-10-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
Fast-growing SMBHs in Fast-growing Galaxies, at High Redshifts: the Role of Major Mergers as Revealed by ALMA
我们提出了一个长期的,多波长的项目,以了解最大质量的黑洞的最快增长的时代,通过使用40个发光类星体的样本在z~4.8。这些类星体具有相当一致的性质,具有典型的吸积速率和黑洞质量,L/L_Edd~0.7和M_BH~10^9 M_sol。该样品由先前Herschel/SPIRE探测到的“FIR-bright”源(SFR > 1000 Msol/yr)和“FIR-faint”源(Herschel叠加分析表明典型的SFR约为400 Msol/yr)组成。ALMA在[CII]λ157.74 μ m谱线发射和相邻的150 μ m静止坐标系中观测了其中的6个类星体,以研究尘埃冷ISM。ALMA探测到了伴星,光谱证实了三个源的亚毫米星系(SMG)-一个明亮的FIR和两个微弱的FIR。伴星与类星体宿主的距离约为14-45千秒差距,我们将它们解释为主要的星系相互作用。因此,我们的ALMA数据清楚地支持这样一种观点,即重大合并可能是SMBH快速早期增长的重要驱动力。然而,并非所有高SFR类星体宿主都伴随着相互作用的SMG,以及ALMA观察到的有序气体运动学,这一事实表明其他过程可能为这些系统提供燃料。因此,我们的分析表明,与早期和快速SMBH增长的宿主星系的性质和气体吸积机制的多样性。
2018-01-04 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
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
Origin of the Stochastic Gravitational Wave Background: First-Order Phase Transition vs. Black Hole Mergers
本文通过频率论假设检验比较PTA随机引力波背景的黑洞并合与一阶相变起源,发现数据以2–3σ轻微偏好由气泡碰撞主导的GeV尺度强相变。
2024-01-24 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
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
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