German Title: Dynamische Entwicklung massereicher schwarzer Löcher in galaktischen Kernen

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Abstract

A B S T R AC T In this work, I investigate the dynamical evolution of supermassive black hole (SMBH) binaries and triples using high-resolution N -body simulations. Starting from cosmological initial condi- tions, I characterize the effects of stellar dynamics on the formation and evolution of SMBH binaries. I perform numerical tests and benchmarks of the novel N -body code φ-GRAPE-hybrid and discuss how numerical parameters affect the evolution of SMBH binaries. I then simulate a hard SMBH binary system embedded in a triaxial and gas-poor galaxy merger remnant. I investigate the properties of loss cone stars that interact strongly with the SMBH binary and find that the summed energy changes of these stars match very well with the overall binary energy change, demonstrating that stellar interactions are the primary drivers of SMBH binary hardening in triaxial, gas-poor systems. I also investigate the orbital and phase-space properties of these stars and distinguish three different populations based on their apocenter. Then, I investigate the population of SMBH triple systems in the IllustrisTNG100-1 cosmological simulation. Using the tree code bonsai2 , I perform zoom simulations of six of these triple SMBH candidates. I then present the orbital evolution of the black holes following the mergers of their host galaxies and examine prospects for their coalescence.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit untersuche ich mithilfe hochauflösender N -Körper-Simulationen die dynamische Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher (engl. " supermassive black hole", kurz "SMBH") in Binär- und Dreifachsystemen. Ausgehend von kosmologisch mo- tivierten Anfangsbedingungen charakterisiere ich die Auswirkungen der stellaren Dynamik auf die Entstehung und Entwicklung von SMBH-Binärsystemen. Ich führe numerische Tests sowie Benchmarks-Tests des neuartigen φ-GRAPE-Hybrid-N -Körper-Codes durch und diskutiere, wie numerische Parameter die Entwicklung von SMBH-Binärsystemen beeinflussen. Dann simuliere ich ein hartes SMBH-Binärsystem, das in einem triaxialen und gasarmen Überrest einer Galaxienverschmelzung eingebettet ist. Ich untersuche die Eigenschaften von Sternen im Verlustkegel, die stark mit dem SMBH-Binärsystem wechselwirken und finde, dass die summierten Energieänderungen dieser Sterne sehr gut mit der gesamten Energieänderung des Binärsystems übereinstimmen, was zeigt, dass stellare Wechselwirkungen die Haupteinflussfak- toren für die Schrumpfung von SMBH-Binärsystemen in triaxialen, gasarmen Galaxien sind. Ich untersuche auch die Bahn- und Phasenraumeigenschaften dieser Sterne und unterscheide drei verschiedene Populationen basierend auf ihrem Apozentrum. Im letzten Teil der Ar- beit untersuche ich dann die Population von SMBH-Dreifachsystemen in der kosmologischen Simulation "IllustrisTNG100-1". Unter Verwendung des Baum-Codes bonsai2 führe ich Zoom- Simulationen von sechs dieser SMBH-Dreifach-Kandidaten durch. Anschließend stelle ich die orbitale Entwicklung der Schwarzen Löcher nach der Verschmelzung ihrer Wirtsgalaxien dar und untersuche die Aussichten für ihre Verschmelzung.