原初星系中的黑洞形成：化学与辐射条件

在大质量原初星系中，如果冷却被抑制，气体可能直接坍缩并形成一个单一的中央大质量天体。分子氢的线冷却可以在强软紫外辐射场存在时被抑制，但其他冷却机制所起的作用尚不明确。在光学薄气体中，莱曼-阿尔法冷却可能非常有效，能在多个数量级的密度范围内将气体温度维持在10^4 K以下。然而，原初星系中存在的大中性氢柱密度使得它们对莱曼-阿尔法光子具有高度的光学厚性。在这封信中，我们详细研究了这些莱曼-阿尔法光子俘获对气体热演化和化学演化的影响。我们表明，尽管莱曼系谱线具有高光学深度，冷却并未被强烈抑制，而是通过其他氢原子跃迁进行，特别是2s-1s和3-2跃迁。在密度大于10^9 cm^{-3}时，分子氢的碰撞离解成为主导冷却过程，并将气体温度降低到约5000 K。气体温度随密度演化为T ∝ ρ^{γ_eff - 1}，其中γ_eff = 0.97-0.98。因此演化非常接近等温过程，所以碎裂是可能的，但在初始坍缩过程中不太可能发生。然而，在形成一个大质量中央天体后，我们预期后期落入的、具有更高角动量的物质将形成一个吸积盘，该吸积盘可能对碎裂不稳定，从而可能产生具有上重初始质量函数的恒星形成。