无强紫外背景下的直接坍缩黑洞的不可能性定理

解释红移 $z >\sim 6$ 处存在大于 $\sim 10^9 M_\odot$ 的超大质量黑洞 (SMBH) 仍然是一个未决的理论问题。一种可能性是，在原初原子冷却晕 ($T_{\rm vir} >\sim 10^4 \rm{K}$) 中快速坍缩的气体会产生 $10^4-10^6 M_\odot$ 的黑洞。先前的研究表明，形成此类黑洞需要强烈的紫外背景以防止分子氢冷却和气体碎裂。最近有人提出，对于以极快速度吸积物质的晕，或者由于高重子 - 暗物质流动速度而延迟气体冷却的晕，可能不需要高紫外背景。在这项工作中，我们指出，在分子冷却变得有效之前构建一个 $T_{\rm vir} >\sim 10^4 \rm{K}$ 的晕并不足以形成直接坍缩黑洞 (DCBH)。虽然分子氢的形成可能会延迟，但它最终会在高密度下形成，导致有效的冷却和碎裂。在没有强紫外辐射的情况下，避免分子冷却的唯一明显方法是让气体在冷却发生之前达到足够高的密度以引起分子氢的碰撞解离 ($\sim 10^4 ~ {\rm cm}^{-3}$)。然而，我们认为，由星系际介质 (IGM) 与宇宙微波背景 (CMB) 退耦时的熵所设定的最小核心熵，阻止了这种情况在现实晕质量下发生。这一点已通过不含辐射冷却的流体动力学宇宙学模拟得到证实。我们用简单的熵论点解释了这些模拟中的最大密度与晕质量的关系。发现的低密度表明，DCBH 的形成确实需要强烈的紫外背景。