小红点是恒星级质量黑洞的温床

詹姆斯·韦伯空间望远镜 (JWST) 在 $z \sim 5$ 处揭示了一类此前未知的致密红色星系群，被称为“小红点” (LRDs)。其有效半径约为 $100$ pc，恒星质量为 $10^9-10^{11} \, M_\odot$，若纯粹基于恒星物理解释，这意味着极端的中心密度，$\rho_\star\sim10^4-10^5 \, M_\odot \, \mathrm{pc}^{-3}$，在某些情况下甚至高达 $\sim 10^9 \, M_\odot \, \mathrm{pc}^{-3}$，远超球状星团的密度。在这样的密度下，中心 $0.1$ pc 范围内 $10 \, M_\odot$ 恒星的动力学摩擦时标 $< 0.1$ Myr，从而驱动快速的质量分层。我们利用以下方法研究了这种环境的动力学后果： 长期核心演化的 Fokker-Planck 分析， 极大质量恒星 (VMS) 碰撞增长解析模型，以及 直接 $N$ 体模拟。所有方法均表明，失控碰撞会在 $<1$ Myr 内产生一颗质量为 $9\times10^3 < M_{\rm VMS} \, [M_\odot] < 5\times10^4$ 的 VMS。一旦大质量恒星的供应耗尽，VMS 会在约 $8000$ 年的开尔文-亥姆霍兹时标上收缩，并经历广义相对论性坍缩，留下一个质量为 $M_\bullet \sim 10^4 \, M_\odot$ 的大质量黑洞。我们得出结论，LRDs 是通过恒星动力学过程形成重黑洞种子的天然温床。这一途径产生的种子数密度远超直接坍缩模型的预期，并且由于存在致密的残余恒星核心，能够维持较高的潮汐瓦解事件发生率。