强 X 射线环境下高红移时大质量黑洞种子形成

原始气体在早期星系中的直接坍缩是形成主动星系核 (AGN) 所需的超大质量黑洞 (BH) 关键途径，这发生在重联化时代 (EoR)。这种种子形成机制需要通过来自聚集于密度过盈区域的 nearby starburst 星系发射的强远紫外 (far-ultraviolet) 辐射，以抑制原始恒星形成期间分子氢 (H$_2$) 冷却。然而，氢 EoR 21 厘米信号的 HERA 实验报告的未检测结果表明，这些星系可能比本地宇宙中更有效地发射 X 射线，从而促进 H$_2$ 生产，潜在地抑制大质量 BH 种子的形成。本研究采用包含观察校准 X 射线强度的半分析模型，考察了位于暗物质晕体中的坍缩气体的热力学与化学演化。我们发现，正如 HERA 所暗示的，强 X 射线照射显著抑制了直接坍缩，导致大多数晕体经历 H$_2$ 冷却。尽管如此，$z\simeq 15$ 时仍可形成质量约为 $M_\mathrm{BH} \gtrsim 10^4~M_\odot$ 的大质量 BH 种子，其丰度可达 $\sim 10^{-4}~\mathrm{Mpc}^{-3}$，足以解释 JWST 在 $3<z<6$ 范围内识别的 SMBHs。虽然 X 射线电离防止了形成与其宿主星系质量相当的高度过盈 BH，但本模型预测在种子形成阶段，BH 对恒星质量的比率 $\simeq 0.01-0.1$ 已然确立。