低金属丰度致密星团中黑洞种子的高效形成及其对JWST源的启示

詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的最新观测揭示，年轻的大质量星团（YMCs）是早期星系的关键构建块。它们不仅是星系的重要组成部分，也是超大质量恒星（VMSs）和黑洞（BH）种子的潜在诞生地。我们探索了在极低金属丰度下，初始半质量密度为 $\rho_h \gtrsim 10^8M_\odot{\rm pc}^{-3}$ 的极端致密星团中的恒星动力学，这与JWST观测到的一些最致密星团相当。通过使用包含恒星演化的直接N体和蒙特卡洛模拟，我们表明通过碰撞形成超大质量恒星是不可避免的，其最终质量达到 $5\times10^3$ 到 $4\times10^4M_\odot$。这些结果支持存在一个临界质量尺度，超过该尺度碰撞变得非常高效，从而能够形成超大质量恒星和中等质量黑洞（IMBHs）。我们使用带有更新SSE/BSE程序的 nbody6++gpu 和 MOCCA 模型表明，致密星团通过恒星碰撞迅速形成超大质量恒星。然后，这些超大质量恒星在不到4百万年内坍缩成质量为几千到 $10^4M_\odot$ 的黑洞种子。我们确定了一个临界质量-密度阈值，超过该阈值星团会发生失控碰撞，从而产生大质量黑洞种子。对于JWST探测到的典型年轻大质量星团，预期效率高达10%，这意味着如果通过碰撞形成，黑洞质量可达 $10^5M_\odot$。我们预测了一个黑洞质量的标度关系，$\log(M_{\rm BH}/M_\odot)=-0.76+0.76\log(M/M_\odot)$。频繁的超大质量恒星形成也可能解释在高红移星系中观测到的高氮丰度。