大质量黑洞的自旋、辐射效率及其宇宙学演化

The spin of a massive black hole (MBH) in a galactic center co-evolves with the MBH mass growth, and the radiative efficiency of the MBH at active phases also evolves. Different growth and assembly histories of MBHs result in very different spin and radiative efficiency distributions. Therefore, important information on the formation and evolution history of MBHs can be extracted from the distributions of spins and radiative efficiencies among those MBHs. In this proposal, we plan to extract constraints on the growth of MBHs by using the currently available spin measurements of more than two dozens MBHs in Active Galactic Nuclei (AGNs) and the spin evolution models for individual MBHs via various conjectured growth histories; estimate the radiative efficiencies of SDSS and BOSS QSOs through their optical observations and reveal the intrinsic correlation between the radiative efficiency and the MBH mass, if any; re-construct the cosmic evolution model for MBHs with considerations of both the mass and spin evolution by using the constraints obtained from the spin measurements and radiative efficiency estimates on the MBH growth history, and predict the spin distribution and evolution of the MBH population(s) (including the radio loud QSOs); study the consequences of MBH mergers due to gravitational wave radiation on the occupation of MBHs in galactic centers, according to the spin distribution obtained from the evolution model, and obtain possible constraints from current observations on measuring MBHs in nearby galaxies.

大质量黑洞的自旋随黑洞的成长而演化，其辐射效率也同时演化，不同的成长历程会导致不同的自旋和辐射效率分布。因此，大质量黑洞的自旋、活动期的辐射效率是理解这些黑洞形成演化的关键物理参量，它们的分布蕴含黑洞成长历程的重要信息。在本申请书中，我们计划利用当前已经获得自旋测量的活动星系核样本来限制大质量黑洞的成长历史和吸积模式、根据SDSS、BOSS等的类星体观测估计类星体的辐射效率并揭示是否存在辐射效率与黑洞质量间的内禀关系、结合由自旋和辐射效率测量等获得的黑洞成长历史和吸积模式的限制以及个体自旋演化的理论研究来重构类星体的宇宙学演化模型、研究类星体和其子类（比如射电燥类星体）中自旋的整体宇宙学演化、根据自旋的演化和分布研究大质量黑洞并合的引力波辐射及其在近邻星系中的相关观测效应。

本项目主要开展超大质量黑洞的自旋演化和辐射效率等了多个方面的研究，包括大质量黑洞自旋分布对其吸积历史的限制、大质量黑洞吸积辐射效率估计及其与黑洞质量的内秉关系、大质量黑洞自旋的宇宙学演化、以及类星体子类的辐射效率、黑洞自旋等研究。我们利用观测获得的大质量黑洞的自旋分布限制了大质量的成长历史，发现超大质量黑洞必然经历显著的混沌吸积阶段从而使得大质量段的黑洞自旋相对较小；我们分析了吸积潮汐瓦解恒星对低质量段大质量黑洞自旋演化的影响，发现吸积潮汐瓦解恒星阶段和活动星系核阶段小质量黑洞自旋分布存在系统差异；我们揭示了黑洞自旋对高红移大质量黑洞的重要影响，通过与高红移的类星体观测对比限制了其中心大质量黑洞成长历史和种子黑洞的质量范围；我们还预言了未来X-射线观测自旋测量对黑洞成长的限制能力；我们发展了从类星体观测样本提取内禀辐射效率-质量关系新方法，并结合SDSS类星体样本利用该方法限制了低红移类星体的内禀辐射效率-质量关系；另外，我们分析了如何利用黑洞阴影限制Kerr-Taub-NUT(KTN)度规，并利用M87的黑洞照片观测给出其对KTN度规中黑洞自旋和引力磁参数的限制。本项目的研究在多个方向都已取得显著进展，对理解大质量黑洞的自旋演化、成长历史和辐射效率等具有重要的科学意义，部分结果形成5篇论文发表在ApJ上，1篇发表在EPJC上。另外，在大质量黑洞形成演化等相关方向也受本基金的部分支持发表了十余篇期刊论文（标注致谢）。