高红移矮星系中中等质量黑洞的增长与反馈

中等质量黑洞（IMBHs：质量介于 $100 - 10^{6} M_{\odot}$ 之间）历史上相较于恒星级和超大质量黑洞一直是一个难以捉摸的种群。最近，IMBHs 已开始在被观测到位于低质量星系中心。我们进行了 $(2 h^{-1} ~ {\rm Mpc})^3$ 共动盒子的宇宙学流体动力学模拟，并研究了矮星系（DGs）中中心 IMBHs 的增长与反馈。最早的黑洞出现在 $z \sim 18 - 25$，此后通过吸积气体和与其他黑洞并合而增长。我们发现，从 $10^{2} M_{\odot}$ 开始，当黑洞播种于质量小于 $4 \times 10^{7} M_{\odot}$ 的晕中时，有可能在 $z = 5$ 时建立起几$\times 10^{5} - 10^{6} M_{\odot}$ 的 IMBHs。黑洞吸积率随时间增加，到 $z = 4$ 时对于大质量 IMBHs 达到 $\dot{M}_{\rm BH} = (0.2 - 0.8) \dot{M}_{\rm Edd}$。矮星系（恒星质量 $10^{5} - 10^{8} M_{\odot}$）的恒星形成率密度（SFRD）演化在 $z = 4 - 6$ 之间有一个峰值平台。恒星形成在 $z = 9 - 4$ 之间被淬灭。当黑洞增长到几乘以 $10^5 M_{\odot}$ 时，SFRD 降低了最多 $3$ 倍。即使在更强的超新星驱动质量抛射存在下，黑洞仍持续增长到 $z \sim 6$，由宇宙学环境中星系并合与相互作用驱动的气体流入所维持。我们基于数值模拟结果的结论，支持这样一种情景：在 $z = 5 - 8$ 气体丰富的矮星系中来自 IMBHs 的早期反馈，有可能解决 concordance $\Lambda$CDM 宇宙学情景下矮星系质量范围内的若干异常（Silk 2017）。我们的结果表明，在早期宇宙中矮星系中心的 IMBHs 比其宿主星系增长更快，由此产生的黑洞反馈使矮星系和黑洞进入休眠。