早期核球形成过程中种子黑洞的快速成长

我们研究了原星系核中恒星核球组分正在组装时，大质量种子黑洞（BHs）通过吸积实现的早期成长，进行了轴对称二维辐射流体动力学模拟。我们发现，当一个质量为 $M_\bullet \sim 10^5~M_\odot$ 的种子黑洞嵌入密度为 $\gtrsim 100~{\rm cm}^{-3}$、金属丰度 $Z=0.01~Z_\odot$ 的贫金属致密气体中，且核球恒星总质量 $M_\star \gtrsim 100~M_\bullet$ 时，一个巨大的气体盘以 $\gtrsim 0.3-1~M_\odot~{\rm yr}^{-1}$ 的速率高效喂给黑洞，使黑洞质量在约 2 Myr 内增长近十倍。这一快速吸积阶段持续至核球内束缚气体的大部分吸积到黑洞上为止，尽管由于吸积黑洞发出的电离辐射驱动的强外流，喂给速率受到调节。该瞬态成长模式可由 $z\sim 15-20$ 时质量 $\gtrsim 10^9~M_\odot$ 的大质量暗物质晕（维里温度 $T_{\rm vir}\simeq 10^5~{\rm K}$）中形成的种子黑洞触发。这类宿主晕比典型第一代星系的晕更重且更稀少，但更可能在 $z\simeq 6$ 时成为类星体宿主。该机制自然产生 $M_\bullet/M_\star >0.01$ 的质量比，高于本地宇宙中的观测值，且此类超重黑洞的存在为我们提供了独特机会，通过即将开展的 James Webb Space Telescope 与 Nancy Grace Roman Space Telescope 观测，在 $z\sim 15$ 以 $2~\mu{\rm m}$（静止系 10 eV）处 AB 星等 $m_{\rm AB} \sim26 - 29$ mag 探测高吸积种子黑洞。