Formation and Evolution of Supermassive Black Hole Binaries and Triples from Cosmological Initial Conditions

The recent detection of a nanohertz gravitational wave (GW) signal by Pulsar Timing Arrays (PTAs) offers the first evidence for a stochastic GW background (GWB) likely generated by a cosmological population of inspiralling supermassive black hole binaries (SMBHBs). Interestingly, the observed spectrum appears flatter than the canonical power law expected from circular, GW–driven binaries. This deviation may be caused by significant orbital eccentricities, possibly arising from complex dynamical interactions during binary formation and hardening. To investigate the origin and evolution of these eccentricities, we study how SMBHBs form and evolve, combining large-scale cosmological simulations, parsec-resolution N- body modelling, and semi-analytical evolution to trace them from galaxy mergers to GW emission in the PTA band. Starting from major mergers identified in the IllustrisTNG100-1 simulation, we perform targeted re-simulations using the Fast Multipole Method code Griffin to capture binary formation within realistic galactic environments. We find that galaxy encounters are typically highly eccentric, producing SMBHBs that retain substantial eccentricities until the GW-dominated regime. Moreover, these binaries tend to merge within a Hubble time, making them observable PTA sources. By specifically targeting multi-merger trees, we also assess the impact of previous mergers on the subsequent evolution of SMBHBs and study the formation and evolution of triple black hole systems. Triple interactions — frequently mediated by Kozai–Lidov oscillations — can further drive systems to extreme eccentricities, causing burst-like GW emission in the PTA band. This thesis develops a self-consistent theoretical framework linking the nanohertz GW background to the dynamical pathways of SMBHBs and triples, offering new insight into how these systems form, evolve, and potentially shape the low-frequency GW signal, now accessible by PTAs.

La recente rivelazione di un segnale di onde gravitazionali (GW) nella banda dei nanohertz da parte dei Pulsar Timing Arrays (PTA) costituisce la prima evidenza di un fondo stocastico di onde gravitazionali (GWB), verosimilmente generato da una popolazione cosmologica di sistemi binari di buchi neri supermassicci (SMBHB) in fase di inspiral. È degno di nota che lo spettro osservato risulti più piatto rispetto alla legge di potenza canonica prevista per sistemi circolari dominati dall’emissione di GW. Tale discrepanza potrebbe essere attribuita a elevate eccentricità orbitali, potenzialmente originate da complesse interazioni dinamiche durante le fasi di formazione e hardening delle binarie. Al fine di indagare l’origine e l’evoluzione di tali eccentricità, analizziamo la formazione e l’evoluzione di suddetti sistemi binari, combinando simulazioni cosmologiche su larga scala, modellizzazione N-body a risoluzione parsec e modelli semi-analitici, tracciando l’intero percorso evolutivo dai merger galattici fino all’emissione di GW nella banda accessibile ai PTA. A partire da major mergers identificati nella simulazione IllustrisTNG100-1, ne risimuliamo un campione mirato ad alta risoluzione mediante il codice Griffin, basato sul Fast Multipole Method, al fine di riprodurre la formazione dei SMBHBs all’interno di remnant galattici realistici. I risultati indicano che i merger galattici sono tipicamente caratterizzati da elevata eccentricità, dando origine a SMBHB che mantengono valori significativi di eccentricità fino al regime dominato dalle GW. Inoltre, tali binarie tendono a coalescere entro un tempo di Hubble, rendendole sorgenti potenzialmente osservabili da PTA. Analizzando particolari merger trees contenenti major mergers consecutivi, valutiamo l’impatto dei precedenti eventi di merger sull’evoluzione successiva dei SMBHB e approfondiamo la formazione e l’evoluzione di sistemi tripli di buchi neri supermassicci. Le interazioni triple — spesso mediate dalle oscillazioni di Kozai–Lidov — possono indurre ulteriori incrementi dell’eccentricità, portando i sistemi a configurazioni estremamente eccentriche e generando emissioni impulsive di onde gravitazionali nella banda PTA. La presente tesi propone un quadro teorico auto-consistente che collega il fondo di onde gravitazionali nella banda dei nanohertz all’ evoluzione dinamica dei sistemi binari e tripli di buchi neri supermassicci, offrendo una nuova prospettiva sulla loro formazione, evoluzione e sul ruolo che tali sistemi possono rivestire nella modellazione del segnale di GW a bassa frequenza, oggi accessibile grazie alle osservazioni di PTA.