高红移下首批核星团与大质量黑洞的形成

我们提出了一个模型，描述由于早期宇宙时期（$z\sim10-20$）首批星团中的恒星动力学过程而形成大质量黑洞（$\sim 1000 \msun$）。高红移黑洞种子是在低金属丰度（$Z\sim 10^{-5}Z_\odot$）的原星系中发生多次连续不稳定性而形成的。我们关注宇宙中首批恒星完成演化后，高红移下质量相对较大的晕（$T_{\rm vir} > 10^4$ K, $z\gsim 10$）。这一系列假设确保了：(i) 原子氢冷却可以参与气体冷却过程，(ii) 首批恒星已产生紫外辐射场，(iii) 晕内气体已被首批金属轻微污染。第二个条件意味着在低密度下$H_2$被解离，不参与冷却。第三个条件为碎裂设定了最小阈值密度，因此恒星仅在原星系最内核区域有效形成。在这个核心内，形成了非常致密的星团。这些致密星团中有很大一部分在恒星完成演化之前就发生了核坍缩。失控的恒星-恒星碰撞最终导致形成一颗超大质量恒星，其残骸是一个大质量黑洞。对失控碰撞不稳定的星团总是最先形成的、质量较小的那些。通常，在$z\sim10-20$时，约有$\sim 0.05$比例的原星系形成黑洞种子，质量约为$\sim 1000-2000 \msun$，导致种子质量密度约为几个$\simeq10^2\msun/{\rm Mpc}^{-3}$。这一密度为类星体时期黑洞通过吸积增长提供了足够空间。