超大质量黑洞的前身

我们研究了一种模型，其中超大质量黑洞（SMBHs）可以通过气体吸积作用于重种子以及重种子（$m_s^h=10^5\,M_\odot$）和轻种子（$m_s^l = 10^2\,M_\odot$）的并合共同增长。前者源于气体在$T_s^h >1.5\times10^4\,\mathrm{K}$且无$\mathrm{H}_2$的光晕中的直接坍缩；后者则是基于标准$\mathrm{H}_2$的恒星形成过程的最终产物。无$\mathrm{H}_2$条件是通过将光晕暴露于由吸积黑洞和恒星产生的强（$J_{21} > 10^3$）Lyman-Werner 紫外背景下实现的，从而建立了一个自调节的增长机制。我们发现，这一条件在类星体诞生的高度偏倚区域中，早在$z \approx 18$时就已满足。允许在$z=6-7$形成 SMBHs 的关键参数是能够形成重种子的光晕比例：最低要求是$f_\mathrm{heavy}>0.001$；当$f_\mathrm{heavy}$趋近于 1 时，可获得高达$2\times10^{10}\,M_\odot$的 SMBHs。无论$f_\mathrm{heavy}$如何，该模型产生的高红移恒星核球 - 黑洞质量关系比本地关系更陡峭，意味着 SMBHs 在其核球就位之前就已经形成。在类星体形成环境中，Lyman-Werner 辐射反馈允许重种子形成，这对于在演化的早期阶段（即$z>7$）通过并合事件实现 SMBH 的快速增长至关重要。紫外光子的产生主要由星系中的恒星主导，即黑洞吸积辐射处于次要地位。有趣的是，我们发现到$z=6$时，类星体中轻黑洞和 SMBH 的最终质量大致相等；到同一时刻，仅有 19% 的初始重子含量转化为恒星。在所有$z > 7.2$的时期，SMBH 的增长主要由并合主导（超过吸积的 2-50 倍）；在较晚时期，吸积成为迄今为止最重要的增长渠道。最后，我们讨论了该模型可能存在的不足之处。