FROST-CLUSTERS -- III. 金属丰度相关的中间质量黑洞形成：稠密星团中的碰撞跌宕

我们探讨了通过稠密星系中的碰撞跌宕形成中间质量黑洞 (IMBHs)，其可能是超大质量黑洞 (SMBHs) 的种子。我们模拟了在星系表面密度范围内 ($4\times10^3 M_\odot$ pc$^{-2} \lesssim \Sigma_\mathrm{h}$ $\lesssim 4\times10^6 M_\odot$ pc$^{-2}$) 和金属丰度范围 ($0.01 Z_\odot \lesssim Z \lesssim 1.0 Z_\odot$) 的星系碰撞。我们的样本包括超过 $1400$ 个孤立模型和 $30$ 个层级模型，涉及最高达 $N=1.8\times10^6$ 颗星的年轻、巨型星系，包含碰撞星力动力学、星演化以及针对黑洞的后牛顿方程。高星风速抑制了在高金属丰度 ($Z \gtrsim 0.2 Z_\odot$) 处的 IMBH 形成，低碰撞速率阻止了在低密度 ($\Sigma_\mathrm{h} \lesssim 3\times10^4 M_\odot$ pc$^{-2}$) 处的形成。关于星风损失率的假设显著影响最终 IMBH 质量 ($M_\bullet \sim 6000 M_\odot$ vs. $25000 M_\odot$)。在 $t=3$ Myr 前，碰撞和碰撞增强星风导致的总星质量损失可达最终星系质量的 $5-10\%$。我们给出 IMBH 质量随主机星系 $\Sigma_\mathrm{h}$ 和 Z 的拟合公式，并构建了宇宙 IMBH 形成率密度模型。根据星系出生密度，IMBH 形成率在 $z\sim2$-$4$ 处达到最高，可达约 $10^{-7}$ yr$^{-1}$ cMpc$^{-3}$。超过 $50\%$ 的 IMBH 在 $z\lesssim1.5$-$3$ 以下形成，这挑战了所有局部 IMBH 都是失败的早期宇宙 SMBH 种子的观点。