通过直接坍变普遍播撒超大质量黑洞种子
摘要
我们首次研究了在 z>6 时，原始气体云在大质量晕（>10^7 Msun）中通过直接坍变形成的巨大黑洞（BH）种子（~10^4-5 Msun）所处的环境。我们的模型基于宇宙学 N 体模拟中暗物质晕的演化，并结合了黑洞以及第三星族（Pop III）和第二星族（Pop II）恒星形成的规定。我们计算了来自恒星的莱曼 - 维尔纳（LW）辐射的空间变化强度，并识别出那些强度足以抑制分子氢冷却的大质量原始晕。与之前假设空间恒定 LW 背景的黑洞种子模型相反，我们发现局部源产生的 LW 辐射强度 J_local 在模拟体积内可比空间平均背景高出多达 10^6 倍，并在某些情况下超过完全抑制分子冷却的临界值 J_crit 达 4 个数量级。即使考虑到晕中先前恒星形成事件可能造成的金属污染，我们发现直接坍变（DC）黑洞的形成率随红移减小而稳步上升，从 z=12 时的 10^{-3}/Mpc^3/z 增至 z=6 时的 10^{-2}/Mpc^3/z。第二星族恒星形成在 z~16 时的开始，同时也标志着直接坍变黑洞（DCBH）形成纪元的开启，因为第二星族恒星产生的增强的 LW 辐射水平能够将局部 LW 强度提升至 J_local > J_crit，而第三星族恒星在任何时候都无法做到这一点。DCBH 的数密度对 LW 光子数量敏感，在考虑再电离反馈后，其在 z=6 时可能变化一个数量级。宿主 DCBH 的晕比那些不宿主 DCBH 的类似大质量晕具有更强的成团性，尤其是在红移 z>10 时。我们还表明，计划中的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）巡天应能够探测到 DCBH 的超大质量恒星前身天体。
引用
@article{arxiv.1205.6464,
title = {Ubiquitous seeding of supermassive black holes by direct collapse},
author = {Bhaskar Agarwal and Sadegh Khochfar and Jarrett L. Johnson and Eyal Neistein and Claudio Dalla Vecchia and Mario Livio},
journal= {arXiv preprint arXiv:1205.6464},
year = {2015}
}
备注
19 pages, 17 figures, v2 accepted for publication in MNRAS, minor additions in text and updates in references