Intermediate-mass black holes (IMBHs) have not been detected beyond any reasonable doubt, despite their potential role as massive seeds for quasars and sources of tidal disruption events, ultra-luminous X-ray sources, dwarf galaxy feedback, and hypervelocity stars. Gravitational wave (GW) observations can help to find and confirm the existence of IMBHs. Current and upcoming detectors, such as LIGO, Virgo, KAGRA, LISA, ET, and DECIGO promise to identify the full range from stellar-mass to supermassive black holes (SMBHs). In this paper, we address the question of whether IMBHs can produce GWs in galactic nuclei. We consider the possibility that stellar black holes (SBHs) form bound systems and later coalesce with an IMBH through gravitational captures in the dense nucleus. We show that this mechanism is efficient for IMBH masses in the range $\sim 3\times 10^3$ M$_\odot$--$2\times 10^4$ M$_\odot$. We find that the typical distributions of peak frequencies and merger timescales depend mainly on the IMBH mass. In particular, the typical peak frequency is about $0.2\,$Hz, $0.1\,$Hz, $0.09\,$Hz, and $0.05\,$Hz for $M_{\rm IMBH}=5\times 10^3$ M$_\odot$, $8\times 10^3$ M$_\odot$, $1\times 10^4$ M$_\odot$, and $2\times 10^4$ M$_\odot$, respectively. Our results show that, at design sensitivity, both DECIGO and ET should be able to detect these IMBH--SBH mergers. Furthermore, most of the mergers will appear eccentric ($e \gtrsim 0.1$), providing an indication of their dynamical origin.

中文翻译：

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星系核中中等质量黑洞的引力波捕获

尽管中等质量黑洞 (IMBH) 具有作为类星体的巨大种子和潮汐破坏事件源、超亮 X 射线源、矮星系反馈和超高速恒星的潜在作用，但尚未排除任何合理怀疑而被探测到。引力波 (GW) 观测有助于发现和确认 IMBH 的存在。当前和即将推出的探测器，如 LIGO、Virgo、KAGRA、LISA、ET 和 DECIGO，有望识别从恒星质量到超大质量黑洞 (SMBH) 的全范围。在本文中，我们解决了 IMBH 是否可以在星系核中产生 GW 的问题。我们考虑了恒星黑洞 (SBH) 形成束缚系统并随后通过密集核中的引力俘获与 IMBH 合并的可能性。我们表明，这种机制对于 $\sim 3\times 10^3$ M$_\odot$--$2\times 10^4$ M$_\odot$ 范围内的 IMBH 质量是有效的。我们发现峰值频率和合并时间尺度的典型分布主要取决于 IMBH 质量。特别是，对于 $M_{\rm IMBH}=5\times 10^3$M，典型的峰值频率大约为 $0.2\,$Hz, $0.1\,$Hz, $0.09\,$Hz 和 $0.05\,$Hz $_\odot$、$8\times 10^3$ M$_\odot$、$1\times 10^4$ M$_\odot$、$2\times 10^4$ M$_\odot$ . 我们的结果表明，在设计灵敏度下，DECIGO 和 ET 都应该能够检测到这些 IMBH--SBH 合并。此外，大多数合并将显得古怪（$e \gtrsim 0.1$），表明它们的动态起源。我们发现峰值频率和合并时间尺度的典型分布主要取决于 IMBH 质量。特别是，对于 $M_{\rm IMBH}=5\times 10^3$M，典型的峰值频率大约为 $0.2\,$Hz, $0.1\,$Hz, $0.09\,$Hz 和 $0.05\,$Hz $_\odot$、$8\times 10^3$ M$_\odot$、$1\times 10^4$ M$_\odot$、$2\times 10^4$ M$_\odot$ . 我们的结果表明，在设计灵敏度下，DECIGO 和 ET 都应该能够检测到这些 IMBH--SBH 合并。此外，大多数合并将显得古怪（$e \gtrsim 0.1$），表明它们的动态起源。我们发现峰值频率和合并时间尺度的典型分布主要取决于 IMBH 质量。特别是，对于 $M_{\rm IMBH}=5\times 10^3$M，典型的峰值频率大约为 $0.2\,$Hz, $0.1\,$Hz, $0.09\,$Hz 和 $0.05\,$Hz $_\odot$、$8\times 10^3$ M$_\odot$、$1\times 10^4$ M$_\odot$、$2\times 10^4$ M$_\odot$ . 我们的结果表明，在设计灵敏度下，DECIGO 和 ET 都应该能够检测到这些 IMBH--SBH 合并。此外，大多数合并将显得古怪（$e \gtrsim 0.1$），表明它们的动态起源。我们的结果表明，在设计灵敏度下，DECIGO 和 ET 都应该能够检测到这些 IMBH--SBH 合并。此外，大多数合并将显得古怪（$e \gtrsim 0.1$），表明它们的动态起源。我们的结果表明，在设计灵敏度下，DECIGO 和 ET 都应该能够检测到这些 IMBH--SBH 合并。此外，大多数合并将显得古怪（$e \gtrsim 0.1$），表明它们的动态起源。