从卵石到宝石：首批星团中的中等质量黑洞

在$z\gtrsim7$处观测到的超大质量黑洞(SMBHs)的快速聚集需要早期宇宙中高效的种子机制。第三星族(Pop. III)星团最近成为一个有前景的途径，可能弥合传统轻种子和重种子方案之间的差距，产生质量高达$\sim10^4\,\rm M_{\odot}$的中等质量黑洞(IMBHs)。我们使用一系列直接$N$体模拟，研究了在质量为$M_{\rm cl}\sim10^3-4\times10^5\,\rm M_{\odot}$、位于孤立暗物质迷你晕中的Pop. III星团中形成的IMBH的性质和数密度。我们采用了宇宙学启发的初始条件，并探索了不同的恒星演化方案、双星轨道参数分布和星团动力学结构。到$z\sim19$时，IMBH质量函数一致地在$m_{\rm IMBH}\sim200\,\rm M_{\odot}$处达到峰值，数密度为$n_{\rm IMBH}\sim0.2-5\,\rm cMpc^{-3}$。在足够致密和质量大的星团中，质量$>10^3\,\rm M_{\odot}$的IMBH在$z\sim19$时已经可以形成，达到数密度$n_{\rm IMBH}\sim10^{-4}-10^{-2}\,\rm cMpc^{-3}$。我们模型中最庞大的IMBH通过反复恒星碰撞聚集而成的极 massive 恒星的坍缩达到$\sim6200\,\rm M_{\odot}$，这一过程在分形星团中得到增强。较低质量的IMBH则主要通过单星和双星演化以及双星恒星并合形成。我们发现，结合大恒星半径和紧密双星的模型相对于孤立的Pop. III演化产生了最高的IMBH丰度。由于IMBH的高保留率($\gtrsim88\%$)，质量大且致密的Pop. III星团可以作为轻和重SMBH种子的有效孵化器，即使只有一部分Pop. III恒星在这样的环境中形成。