高红移黑洞的生长效率

观测证据表明，超大质量黑洞（Super-Massive Black Holes） $M_{\bullet} \sim 10^{9-10} \, \mathrm{M_{\odot}}$ 在宇宙大爆炸后不到 $1 \, \mathrm{Gyr}$ 就已经存在，这对其种子黑洞的生长效率提出了严格的时间限制。在提出的可能性中，大质量（$\sim 10^{3-6} \, \mathrm{M_{\odot}}$）种子的形成和/或超爱丁顿（$\dot{M}>\dot{M}_{Edd}$）吸积事件的发生可能有助于解决这一问题。在这项工作中，我们通过解析和数值方法研究了高红移（$z \sim 10$）黑洞上的吸积流，以理解有利于快速有效生长的物理条件。我们的模型确定了“喂养主导（feeding-dominated）”吸积机制和“反馈限制（feedback-limited）”吸积机制，后者以间歇性（占空比 ${\cal D} \lesssim 0.5$）和低效增长为特征，并伴有反复的外流事件。我们发现低质量种子（$\lesssim 10^{3-4} \, \mathrm{M_{\odot}}$）在反馈限制机制下演化，而更高质量的种子（$\gtrsim 10^{5-6} \, \mathrm{M_{\odot}}$）由于在喂养主导机制中而增长非常迅速。除了采用固定物质-能量转换因子（$\epsilon = 0.1$）的标准吸积模型外，我们还探索了适用于超爱丁顿吸积的 slim disk 模型，其中辐射被困在吸积盘中，辐射效率降低（$\epsilon \lesssim 0.04$），这可以确保在 $\dot{M} \gg \dot{M}_{Edd}$（在我们的模拟中高达 $\sim 300\dot{M}_{Edd}$）的情况下连续增长。在这些条件下，外流起的作用可以忽略不计，黑洞可以在 $\sim 10 \, \mathrm{Myr}$ 内吸积宿主暗物质晕（$\sim 10^7 \, \mathrm{M_{\odot}}$）气体质量的 $80\%-100\%$，而在反馈限制系统中，我们预测黑洞只能吸积可用质量的至多 $\sim 15\%$。