大质量黑洞的自旋及其宇宙学演化

The formation and evolution of massive black holes in the center of galaxies is an important issue in astrophysics. Black hole spins contain important information about the growth history of black holes. This project intends to study the effects of different accretion modes on the spin evolution of black holes by considering a variety of accretion models that depend on the galactic environment, to expand the theoretical model of spin evolution of black holes. We will further investigate the effect of black hole mergers on the spin evolution, the rationality of accretion models without considering the merging process, and the deviation of theoretical predictions. With the combination of cosmological simulation IllustrisTNG's dark matter halo merger tree and semi-analytical model of galaxy formation, cosmic evolution of black hole spins wil be self-consistently studied, aiming to provide theoretical support for the spin observation of future detectors such as eXTP, LISA, Tianqin, and Taiji.

星系中心大质量黑洞的形成演化是天体物理的一个重要问题。黑洞自旋包含黑洞成长历史的重要信息。本项目拟通过考虑多种依赖于星系环境的吸积模型，细致研究不同吸积模式对黑洞自旋演化的影响，拓展黑洞自旋演化的理论模型研究；在此基础上引入黑洞并合过程对自旋演化的影响，探究未考虑并合过程的吸积模型的合理性及其理论预言的偏差；结合宇宙学模拟IllustrisTNG的暗物质晕并合树与星系形成的半解析模型，自洽地研究黑洞自旋的宇宙学演化，为未来eXTP、LISA、天琴、太极等探测器的自旋观测提供理论支撑。

星系中心超大质量黑洞的成长演化是天体物理的一个前言问题。自旋，作为黑洞除质量外的另一个重要参量，对黑洞的成长速率有重要的影响：史瓦西黑洞和极端克尔黑洞的成长时标（Salpeter时标）可以相差7倍。本项目主要针对超大质量黑洞的自旋演化以及自旋对宇宙早期黑洞成长的影响展开理论研究。我们能够运用不同几何的吸积盘模型，数值求解任意吸积模式下的黑洞自旋演化。黑洞的自旋大小主要取决于吸积盘与黑洞的角动量之比：吸积盘角动量主导的吸积会增大黑洞的自旋；反之，自旋会降低。同理，黑洞对恒星的潮汐瓦解可以降低黑洞的自旋，前提是瓦解的恒星总质量与黑洞的质量相当。利用14个红移高于6.5的类星体中心黑洞的质量观测，我们定量描述了自旋对限制种子黑洞质量和超爱丁顿贡献的重要影响。黑洞吸积的相干性越强，自旋维持在越大值，黑洞成长得越慢；反之，小片段的、随机方向的吸积模式下黑洞成长得越快。目前的种子黑洞模型基本上需要一定程度的超爱丁顿吸积才能与高红移的类星体观测相吻合。本项目的研究结果将为未来X射线和引力波的自旋测量提供理论支撑。