探索JWST探测到的早期黑洞的原初解决方案

詹姆斯·韦伯空间望远镜 (JWST) 在 $z \sim 8.5-10.6$ 红移处发现了质量高达 $10^{6.2-8.1}M_\odot$ 的黑洞，其中许多系统显示出出乎意料高的黑洞与恒星质量比 (>=30%)，对理论模型构成了重大挑战。利用解析计算，我们探索了能够解释观测天体的天体物理种子机制与爱丁顿吸积率的组合。随后，我们求助于宇宙学原初黑洞 (PBH) 种子，并展示了它们如何为早期结构及其重子物质的“播种”提供一条替代路径。假设在 $z_{\rm seed}=25$ 红移处通过天体物理方式播种并进行持续吸积，此处研究的所有黑洞均可通过低质量 ($100M_\odot$) 种子上的超爱丁顿吸积 (爱丁顿分数 $f_{\rm Edd}<= 2.1$) 或高质量 ($10^5 M_\odot$) 种子上的爱丁顿极限吸积来解释。在假设所有这些黑洞均起源于原初的上限情况下，得出一个连续的原初黑洞质量函数 (介于 $10^{-5.25}$ 和 $10^{3.75} M_\odot$ 之间) 以及分数 PBH 值 $<= 10^{-12}$，这与观测约束高度吻合。从物质-辐射相等红移 ($z \sim 3400$) 开始，我们展示了由 PBH 驱动的结构形成如何在控制恒星形成、黑洞吸积及其反馈的相同参数下，重现两个最高红移黑洞 (位于 $z \sim 10.3$ 的 UHZ1 和 GHZ9) 的观测恒星与黑洞质量。通过探索 GHZ9 的广阔模型参数空间，我们发现黑洞与恒星质量比介于 $0.1-1.86$ 之间，即在某些情况下 (高超新星反馈时)，黑洞会增长得比其宿主星系的恒星质量更大，这为这些令人费解的早期系统的播种提供了一个有吸引力的替代方案。