FROST-CLUSTERS -- II. 巨型恒星、双星和三体促进超大质量黑洞种子形成于构建星团

观测和高分辨率水动力学模拟表明，巨型恒星团通过复杂的层级组装形成。我们使用包括后牛顿动力学（BIFROST 代码）和星演化（SEVN 模块）的模拟，来研究这种碰撞式组装。基于完整的初始恒星质量函数，我们研究了初始双星、三体和巨型单星（450 $M_\odot$）对巨型（$M_\mathrm{cl}\sim10^6 M_\odot$，$N=1.8 \times 10^6$）星团组装、结构和运动学的影响。同时，中间质量黑洞（IMBHs），作为超大质量黑洞种子的潜在来源，可通过星体碰撞、潮汐破坏事件（TDEs）和黑洞（BH）合并在我们的模型中形成并增长。在固定的星团质量下，星体多重性或较高质量上限会增加在星团演化前 10 Myr内形成的 IMBH 数量（最多约 10 个）和质量（最多 $10^4 M_\odot$）。TDE 速率在 IMBH 形成约 2 Myr后达到峰值，为 $\Gamma_\mathrm{tde}\sim 5 \times 10^{-5}$ yr$^{-1}$。在所有模拟中，我们发现涉及恒星 BH 和 IMBH 的引力波驱动合并。初始多重性或较高质量上限也会导致 IMBH-IMBH 合并。IMBH 质量与初始星团质量、面积密度和速度分散大致呈现 $M_\bullet \propto M_\mathrm{cl}$、$M_\bullet\propto\Sigma_\mathrm{h}^\mathrm{3/2}$ 和 $M_\bullet\propto\sigma^\mathrm{3}$ 的关系。我们的结果表明，詹姆斯·威布斯太空望远镜最近观察到的稠密 $z\sim10$ 星团可能包含质量超过 $M_\bullet \gtrsim 10^4 M_\odot$ 的 IMBH。