星族 III X 射线双星的形成、瓦解与能量输出

第一批天体通过再电离和加热星系际介质（IGM）塑造了宇宙环境。特别是，X 射线在 IGM 完全电离之前对其加热非常有效，这一效应可通过中性氢的 21 厘米谱线测量。高质量 X 射线双星（HMXBs）已知是低红移恒星形成星系中多产的 X 射线源，是驱动红移 z>20 处 IGM 热演化的主要候选体。尽管它们很重要，但第一批恒星族群形成 HMXBs 的效率尚不明确——因此，它们的集体 X 射线发射及随后在 21 厘米信号上留下的印记通常使用自由参数来评估。我们利用 N 体模拟，通过第一批恒星（星族 III 星）新生小群之间的引力相互作用，估算了 HMXBs 的形成率。我们进行了两组计算：一组中恒星以近乎开普勒的初始轨道形成于五个恒星的小群，另一组中两个这样的小群发生碰撞（预期来自宿主原星系的并合）。我们发现，在新诞生的恒星中，HMXBs 的形成率为每 ~10⁴ M⊙ 一个，并且它们在 2-10 keV 波段每太阳质量每年恒星形成的发射功率为 ~10⁴¹ erg s⁻¹。该值比在低红移恒星形成星系中观测到的值大约 10² 倍；如果早期 HMXBs 还能通过原位形成或在原恒星盘中的迁移形成，其 X 射线产额将更为丰富。将我们的结果与早期研究相结合表明，早期 HMXBs 在加热 IGM 和留下强烈的 21 厘米信号方面非常有效。我们讨论了结果的更广泛意义，例如来自星族 III 星的长伽马射线暴发生率以及直接坍缩黑洞的形成。