尘埃冷却对直接坍缩黑洞形成的影响

在 $z > 6$ 处类星体的观测暗示存在质量为数倍 $\rm 10^9 ~M_{\odot}$ 的黑洞。已提出众多模型解释其存在，包括提供 $\rm 10^5~M_{\odot}$ 大质量种子的直接坍缩。等温直接坍缩需要强莱曼-沃纳(Lyman-Werner)通量来抑制大质量原初晕中的 $\rm H_2$ 形成。在本研究中，我们探究了微量金属与尘埃增丰的影响。我们对两个质量 $\rm > 10^7~M_{\odot}$、金属度 $\rm Z/Z_{\odot}= 10^{-4}-10^{-6}$、受强莱曼-沃纳通量 $\rm J_{21}=10^5$ 照射的晕进行了三维宇宙学模拟。我们的结果表明，初始坍缩以 $\rm T \sim 8000$ K 等温进行，但尘埃冷却在密度 $\rm 10^{8}-10^{12} ~cm^{-3}$ 处变得有效，并将气体温度降至几 100-1000 K（对于 $\rm Z/Z_{\odot} \geq 10^{-6}$）。在我们的模拟结束时，在 $\rm Z/Z_{\odot} \leq 10^{-5}$ 的情形中未发现引力束缚团块，这与 $\rm Z/Z_{\odot} = 10^{-4}$ 的情形相反。对于 $\rm Z/Z_{\odot} \leq 10^{-5}$ 观察到 $\rm \geq 0.1~M_{\odot}/yr$ 的大流入率，类似于零金属度情形；而对于 $\rm Z/Z_{\odot} = 10^{-4}$，由于尘埃冷却与碎裂，流入率开始更早下降。对于给定的大流入率，在 $\rm Z/Z_{\odot} \leq 10^{-5}$ 下可能形成 $\rm \sim 10^4~M_{\odot}$ 的中央恒星。