通过小宿主星系识别直接坍缩黑洞种子

对高红移类星体的观测表明，质量大于 ${\sim}10^9~M_\odot$ 的超大质量黑洞（SMBHs）在宇宙大爆炸后首个十亿年内已聚集形成。目前尚不清楚此类大质量黑洞如何如此早地形成。一种可能的解释是这些 SMBHs 由质量为 $M_{\rm BH}\approx10^5~M_\odot$ 的“重”直接坍缩黑洞（DCBHs）播种，但观测尚未证实或否定该情形。在本快报中，我们利用宇宙学 N 体模拟证明，在其质量增长约一个数量级之前，DCBHs 的黑洞质量与晕质量之比将远高于已增长至相同质量（${\sim}10^6~M_\odot$）的第三星族（Pop III）恒星黑洞残骸的预期值。我们还表明，当 $T_{\rm vir}\approx 10^4~{\rm K}$ 晕（DCBH 形成的潜在场所）与附近大得多的晕（$M_{\rm h} > 10^{10}~M_\odot$）合并时，它们几乎总是以几 kpc 的间距绕其较大宿主晕轨道运行，这足以被未来 X 射线与红外望远镜在空间上分辨。因此，我们提出，诸如 Lynx 的未来 X 射线任务结合红外观测将能区分高红移 DCBHs 与较小黑洞种子，原因在于最暗观测类星体异常高的黑洞质量与恒星质量之比，其推断 BH 质量低于 ${\sim} 10^6 M_\odot$。