Probing black hole formation via collisions in black hole clusters.

Abstract

The origin of SMBHs in galactic centers at high redshift in the early Universe is still unknown. In recent decades, astronomers have proposed a wide range of models to explain the formation of these objects and the correlation of their masses with the host galaxy. Some theoretical explanations include very large seed masses, hyper-Eddington or supra-exponential accretion, very massive metal-free superclusters, the collapse of the first baryon structures, and the formation of SMBHs via BH mergers. In this project, we examine the formation of massive objects in the nuclear star cluster (NSC) core through the fusion of black holes. We consider the effect of an external gas potential and post-Newtonian corrections in our study. The model is investigated via N-body simulations using the Nbody6++gpu code. We present the results of 100 simulations, where we vary the mass of the gas potential. Since the simulations are computationally expensive when considering the real speed of light, we treat it as a free parameter and determine results assuming different speeds of light, with the aim of extrapolating our results to the physical value. Our findings indicate that the time of core collapse in the presence of higher external gas potential tends to decrease in relativistic clusters. For clusters out of the relativistic state, the trend is completely different, tending to increase at higher external potential. On the other hand, the BH seeds that form are set in two ranges: ≈ 104M⊙ for clusters in relativistic states, where almost all BH mergers end in the BH seed, and ≈ 103M⊙ for clusters out of the relativistic state, in this case only a few percent of mergers end in the BH seeds.

El origen de los agujeros negros supermasivos en centros galácticos a altos redshifts en el Universo temprano es aún desconocido. En las últimas décadas, astrónomos han propuesto un amplio rango de modelos para explicar la formación de estos objectos y su correlación entre sus masas y la de las galaxias que los hospedan. Algunas posibles explicaciones implican semillas muy masivas, acreciones de hyper-Eddington y supra-exponensial, super cúmulos masivos libre de metales, el colapso de las primeras estructuras bariónicas y la formación de SMBHs vía fusiones de agujeros negros. En este proyecto, estudiamos la formación de objectos supermasivos en cumulos nucleares ( NSC, por su siglas en ingles) a través de la fusión de agujeros negros, además afectado por el pozo potencial de gas. Nosotros consideramos el efecto del potencial externo debido al gas y los efectos relativistas mediante efectos post-Newtonianos. El modelo fue investigado mediante simulaciones N-body usando el código Nbody6++gpu. Presentamos un total de 100 simulaciones, donde variamos tanto el potencial externo como la velocidad de la luz debido a su alto consumo computacional. El objetico es extrapolar los resultados al valor real de la velocidad de la luz. Nuestros resultados indican que el tiempo de core collapse en presencia de mayores potenciales externos de gas tiende a disminuir en cúmulos en estado relativista, en cambio para cúmulos fuera de un estado relativista, el comportamiento es distinto y el tiempo de core collapse tiende a aumentar a mayores potenciales de gas. Por otro lado, los IMBH formados se encuentran en 2 rangos de masas; los mas masivos con masas de 104M⊙ para cúmulos en estados relativistas, donde la mayoría de las fusiones terminan en IMBH, y 103M⊙ para cúmulos fuera de un estado relativista, donde la cantidad de fusiones que terminan siendo absorbidos por IMBH decrece substancialmente.