超大质量黑洞能否在金属增丰的高红移原星系中形成？

原星系暗物质 (DM) 晕中，维里温度 $T_{\rm vir} > 10^4$ K 的原初气体开始通过原子氢冷却并凝聚。若该气体受到强紫外 (UV) 辐射照射且不含 H$_2$ 及其他分子，据推测 $T_{\rm vir} \sim 10^4$ K 的晕可避免碎裂，从而导致快速形成质量高达 $M=10^5$-$10^6 M_{\odot}$ 的超大质量黑洞 (SMBH)。这种“先发优势”有助于解释在红移 $z \gtrsim 6$ 处斯隆数字巡天 (Sloan Digital Sky Survey) 发现的明亮类星体所驱动的、推断质量为数 $\times 10^9 M_{\odot}$ 的 SMBH 的存在。然而，高红移且 $T_{\rm vir} \sim 10^4$ K 的 DM 晕很可能已经因前身恒星形成而产生的微量金属和尘埃而增丰。在此，我们研究了暴露于极强 UV 辐射场中的低金属丰度气体的热演化与化学演化。我们在单区模型中获得的结果表明，高于临界金属丰度时气体碎裂不可避免，该临界值介于 $Z_{\rm cr} \sim 3 \times 10^{-4} Z_{\odot}$（无尘埃情况）至低至 $Z_{\rm cr} \sim 5 \times 10^{-6} Z_{\odot}$（尘气质量比约为 $0.01 Z/Z_{\odot}$ 的情况）之间。我们提出，当金属丰度超过这些临界值时，可能在晕核处形成致密的低质量星团。此类星团中相对大质量的恒星随后可迅速并合为单个更大质量的天体，进而可能产生质量高达 $M \lesssim 10^2$-$10^3 M_{\odot}$ 的中等质量黑洞残骸。