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N-body studies of galactic nuclei with massive black holes

Preto, Miguel

German Title: N-Körperstudien galaktischer Zentren mit massiven schwarzen Löchern

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Abstract

Massive black holes (MBHs) are ubiquituous in galactic nuclei. The collisional dynamics of these $systems is studied with high resolution, direct $N$-body simulations and its results are thorough$those obtained from the Fokker-Planck equation, written in energy space. The predictions from the$equation are validated by the $N$-body results and it is concluded that the formation of a Bahcal$a MBH is a robust prediction for the old stellar populations of spheroidal systems older than the$as measured at the hole's influence radius. The mass segregation and the scaling relations predic$different mass ranges are also confirmed. $N$-Body simulations of galaxy mergers show that binary MBHs can form with very high eccentriciti$galaxies settle into a newly merged nucleus. These high eccentricities should lead to a coalescen$time scale, as the MBHs should emmit strong bursts of gravitational waves at each pericenter pass$harmonics of the gravitational wave strain amplitude $h$ are estimated as the massive binary with mass $\sim 1$enters the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) frequency band. We conclude that large-scale $N$-body modelling of galactic nuclei with one (several) MBH(s) is p$currently available software (Sverre Aarseth's NBODY codes and developments therefrom) and hardwa$cluster).

Translation of abstract (German)

Massereiche Schwarze L\"ocher (MSL) sind in Galaktischen Zentren allgegenw\"artig. Mit Hilfe hochaufl\"osender, direkter $N$-K\"orper-Simulationen wird hier die sto\ss dominierte Dynamik solcher dichten stellaren Systeme untersucht. Die Ergebnisse werden mit L\"osungen der im Energie-Raum formulierten Fokker-Planck Gleichung verglichen. Die Vorhersagen der Fokker-Planck Gleichung werden durch die $N$-K\"orper Ergebnisse best\"atigt. Es wird gefolgert, dass f\"ur die alte stellare Komponente sph\"aroidaler Systeme, die \"alter als die Relaxationszeit sind (gemessen am Einflu\ss radius des Schwarzen Lochs), die Entstehung eines sogenannten {\it Bahcall-Wolf cusps} um MSL eine robuste Vorhersage ist. Die f\"ur Sterne unterschiedlicher Massenbereiche vorhergesagten Skalierungsbeziehungen und Massensegregation werden ebenfalls best\"atigt. $N$-K\"orper Simulationen von Galaxienverschmelzungen zeigen, dass, nachdem die beteiligten Galaxien einen neuen gemeinsamen Kern gebildet haben, bin\"are MSL mit sehr hohen Exzentrizit\"aten entstehen k\"onnen. Hohe Exzentrizit\"aten sollten jedoch zur Verschmelzung der bin\"aren MSL auf extrem kurzen Zeitskalen f\"uhren, da die MSL bei jedem Durchlauf durch das Perizentrum erh\"oht Gravitationswellen abstrahlen sollten. Die ersten Harmonischen der Gravitationswellenamplitude $h$ werden f\"ur massereiche Bin\"arsysteme im Bereich $sim 10^5$ -- $10^6 M_{\odot}$ berechnet, die in das Frequenzband der {\it Laser Interferometer Space Antenna} (LISA) fallen. Wir folgern, dass die gro\ss r\"aumige $N$-K\"orper Modellierung galaktischer Zentren, die ein Schwarzes Loch (oder mehrere) enthalten, mit der z.Zt. verf\"ugbaren Software (z.B. Sverre Aarseth's NBODY Codes bzw. den darauf aufbauenden Weiterentwicklungen) und Hardware (z.B. ARI GRAPE cluster) m\"oglich ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spurzem, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 17 July 2007
Date Deposited: 14 Dec 2007 11:42
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Schwarzes Loch, Direkte numerische Simulation, Galaktisches Zentrum, Gravitation, Relaxation
Uncontrolled Keywords: Gravitationswellen , LISAGravitation waves , LISA
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