宇宙线/X 射线电离对超大质量黑洞形成的影响

我们研究了宇宙线和 X 射线产生的外部电离对强远紫外辐射下原初云热演化的影响。强远紫外辐射会解离 H2 并抑制其冷却。即使在这种环境中，维里温度 Tvir > 10^4 K 的大质量云也能通过莱曼阿尔法冷却在 8000 K 处等温收缩。该云整体坍缩而不碎裂，据信会在中心形成超大质量星（>10^5 M_⊙），并最终演化为超大质量黑洞。然而，包括恒星形成星系在内的远紫外源候选体，很可能也是强宇宙线和 X 射线源。我们发现，当宇宙线能量密度 U_CR > 10^{-14} erg/cm^3 或 1 keV 处 X 射线强度 J_X > 10^{-24} erg/s/cm^2/sr/Hz 时，外部电离会促进 H2 生成，并提高超大质量黑洞形成所需的阈值远紫外强度 Jcr。在高宇宙线（对应地，高 X 射线）极限下，临界远紫外流量正比于 U_CR^{1/2}（J_X^{1/2}）增加。在莱曼极限（13.6 eV）处远紫外强度相同的情况下，随着远紫外源有效温度 T* 降低，阈值为 0.755 eV 的 H^- 光解离率增加，H2 分子减少。因此，较低的 T* 值导致 13.6 eV 处较低的临界远紫外流量。利用邻近恒星形成星系的远紫外与宇宙线/X 射线强度之间的经验关系，我们发现外部电离效应显著地将 T* 高达 10^5 K 且由 <100 M_⊙ 恒星组成的源的临界远紫外流量提高到了任何暗晕中都无法实现的水平。这表明，要诱发超大质量黑洞形成，远紫外源必须是低亮温度的星族 II/I 星系、具有极重端初始质量函数的星族 III 星系，或是过于年轻而尚未拥有宇宙线/X 射线源（如超新星遗迹或大质量 X 射线双星）的星族 III 星系。