高红移超大质量黑洞种子形成：直接坍缩的长期演化

我们使用宇宙学自适应网格细化（AMR）代码 Enzo 的放大模拟，研究高红移下暗物质（DM）晕内坍缩气体的长期演化。这种直接坍缩过程是高红移下快速形成超大质量黑洞（SMBH）种子的主要候选机制。为规避小半径处的 Courant 条件限制，我们使用了汇粒子方法，并重点关注 ~0.01-10 pc 尺度上的演化。坍缩分两个阶段进行，次级失控坍缩发生在中心 10 pc 内，且未检测到碎裂。当坍缩气体在最高细化层级需要进一步缩小网格尺寸时，汇粒子形成。除中心种子在 ~2 Myr 内急剧增长至 ~ 2 x 10^6 太阳质量外，其余汇粒子的质量均不超过 ~10^3 太阳质量，证实了通过此路径形成 SMBH 的可行性。吸积气体角动量轴的时间变化导致形成两个错位的盘——一个较小的内盘，以及一个相对于内盘倾斜约 45^o 的更大质量外盘。这些盘的自引力被极大地稀释——两个盘均位于中心种子的 Roche 极限内。内盘几何上较薄且呈弱不对称性，而外盘由于沿一对穿透丝状结构的大质量内流产生的湍流运动而呈现flare状。通过丝状结构的内流几何决定了该盘中的主导和次级 Fourier 模式——这些模式具有非自引力起源。我们未确认 m=1 是存在中心大质量天体时驱动内流的主导模式。尽管盘的位置取决于打破自相似坍缩的尺度选择，但整体构型似乎是普遍的，并预期在中心种子变得足够大时形成。