星系中心大质量黑洞宇宙学演化模型

【摘要】本文主要讨论了在冷暗物质宇宙中暗物质晕等级成团模型下,星系中心的黑洞以暗物质晕并合树为背景的演化和增长过程。我们根据前人的工作,在扩展的PS(extendedPress-Schechter)公式基础上发展了一套自己的MonteCarlo算法,建立了暗物质晕的并合树结构。星系中心的种子黑洞是原初星系中的POPⅢ恒星演化后期所形成。随着暗晕的并合,种子黑洞将会通过动力学粘滞转移到星系中心去,并带来一部分气体。这些黑洞在星系及暗晕的并合后,会在周围形成吸积盘,通过吸积盘吸积星系中的气体,从而质量增加。黑洞的活跃过程主要是星系的主并和过程导致的,然后黑洞会以Eddington吸积率持续吸积,直到达到所在星系的M一σ*关系限定的黑洞质量。如果两个并合的星系中都有黑洞,会在星系中心形成双黑洞系统,双黑洞的演化,最终的并合阶段还会辐射引力波。通过一系列的MonteCarlo模拟,我们能得到AGN(活动的黑洞)的光度函数,并和观测上的AGN的光度函数比较。我们用了几种黑洞吸积盘模型,把MonteCarlo模拟计算得到的理论值跟观测的AGN光度函数进行了比较。除了光度函数,也可以黑洞的质量密度。我们根据已有的黑洞吸积物理,引入了直接吸积和随机吸积两种黑洞吸积模型在我们的模型中,研究了自旋对黑洞演化的影响以及大质量黑洞并合率的变化。直接吸积盘模型下,光度函数跟观测比偏离比较大。随机吸积模型下虽然能比较好的符合光度函数,但是还是有一定的偏离。我们又在直接吸积模型的基础上,我们考虑了MHD数值模拟结果对吸积盘的影响-黑洞吸积盘的数值模拟结果的影响(MHD吸积盘中吸积物质对黑洞自旋及质量增长和理论计算的不一样,因为磁场关系有所偏离),并用数值模拟得出的结果应用到黑洞吸积过程,模拟了星系中心大质量黑洞的演化过程,发现其结果比单纯的直接吸积模型以及随机吸积模型都要好,跟光测上的光度函数更符合。有了接近真实的描述星系中心黑洞演化历史的模型,我们考虑了不同的双黑洞演化机制对其质量比的影响。双黑洞的演化分为三个阶段：1,各自和周围恒星的动力学粘滞而落入星系中心；2,动力学粘滞不有效后的三体作用抛恒星过程；3,引力波辐射阶段。在双黑洞演化的第二个阶段,如果存在共转气体吸积盘,星系中心的双黑洞质量比在双黑洞演化的前期和后期将会有明显的变化,其统计分布将会变平。我们拿不同的模拟结果跟SDSS观测到的并合中的星系中的黑洞质量比做了比较。发现模型中主并和条件p>0.3的结果,对观测有较好的符合。在此基础上加入共转吸积盘的影响,看其质量比的统计分布,发现在双黑洞演化的前提,其质量比分布会变平；而在并合后期,其质量比分布中有更多的质量比接近1的双黑洞。在成功的建立了黑洞和暗物质晕宇宙学演化模型后,我们在此基础上,还对空间引力波探测器(ALIA)参数空间的设定做了一定的讨论,争取能让空间探测器能对高红移黑洞成长模型和演化做一定的限制。在ALIA的臂长比LISA小一个量级的情况下,降低对仪器的要求后,还能让ALIA对于中等质量的双黑洞并合率的探测率比LISA要好不少,为仪器设计提供了很好的工具。以后还将进行更多的引力波源方面的研究。模型所用的宇宙学参数如下：QM=0.3,ΩA=0.7,h=0.7,Ωbh2=0.02,σ8=0.93和n=1.其中h的定义如下H0=h×100kms-1Mpc-1.
【作者】徐生年；
【导师】袁业飞；
【作者基本信息】中国科学技术大学，天体物理学，2014，博士
【关键词】Cosmology:Darkmatter；Galaxies:SMBH；MBHbinaries；AGNs:LuminosityFunction；accretion；MBH:binaries；GW；

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