原初黑洞作为超大质量黑洞的种子

在宇宙早期（$z\gtrsim 6$）存在超大质量黑洞（SMBH，$M_{\bullet}\sim 10^{6-10}~M_{\odot}$）对当前的黑洞形成与演化模型提出了挑战。我们提出了一种基于原初黑洞（PBH）形成早期 SMBH 种子的新机制。我们假设了暴涨模型所预期的非高斯原初功率谱；这些情景预测 PBH 最初是成团分布的，优先在大尺度密度场的高-$\sigma$ 涨落中形成，暗物质（DM）晕正是从中产生的。我们的模型考虑了 (i) PBH 吸积与反馈，(ii) DM 晕增长，以及 (iii) 气体动力学摩擦。PBH 由于气体动力学摩擦损失角动量，坠入致密核心，在那里黑洞双星形成并经历级联合并，最终导致单个大质量种子的形成。该机制在 $z\sim 20-40$ 的稀有暗物质晕（$M_h\sim 10^7\ M_\odot$，对应 $\sim 5-7\sigma$ 涨落）中启动，并在 $z\sim 10-30$ 时提供大质量（$\sim 10^{4-5}~M_{\odot}$）种子。我们推导了一个物理动机明确的种子化方案，给出了种子质量 $M_{\rm seed}(z)=3.1\times 10^{5}\ M_{\odot}[(1+z)/10]^{-1.2}$ 和种子化晕质量 $M_h(z)=2\times 10^{9}\ M_{\odot}[(1+z)/10]^{-2}e^{-0.05z}$ 随红移的函数。该种子化机制仅要求暗物质的一小部分由 PBH 构成，即 $f_{\rm PBH}\sim 3\times 10^{-6}$。我们发现 $z\sim 6-7$ 类星体可以用 $z\sim 32$ 处种植的 $6\times 10^4\ M_{\odot}$ 种子、以亚爱丁顿速率 $\langle\lambda_{\rm E}\rangle\sim 0.55$ 增长来解释。同一情景再现了 GNz11 在 $z=10.6$ 处的黑洞质量，而 UHZ1（$z=10.1$）和 GHZ9（$z=10$）的数据更倾向于较晚（$z\sim 20-25$）、更大质量（$10^5\ M_{\odot}$）的种子。[摘要]