[论文解读] Rapidly growing primordial black holes as seeds of the massive high-redshift JWST Galaxies

Guan-Wen Yuan, Lei Lei+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 10

一句话总结

本文主张约1000 Msun 的原始黑洞可以通过吸积快速增长，以作为JWST观测到的高红移星系的种子，并使用分层贝叶斯推断来约束PBH质量函数，发现对数正态分布的 M_c ~ 750 Msun 最能拟合数据。

ABSTRACT

A group of massive galaxies at redshifts of $z\gtrsim 7$ have been recently detected by the James Webb Space Telescope (JWST), which were unexpected to form so early within the framework of standard Big Bang cosmology. In this work, we propose that this puzzle can be explained by the presence of some primordial black holes (PBHs) with a mass of $\sim 1000 M_\odot$. These PBHs, clothed in dark matter halo and undergoing super-Eddington accretion, serve as seeds for the early galaxy formation with masses of $\sim 10^{8}-10^{10}~M_\odot$ at high redshift, thus accounting for the JWST observations. Using a hierarchical Bayesian inference framework to constrain the PBH mass distribution models, we find that the Lognormal model with $M_{ m c}\sim 750M_\odot$ is preferred over other hypotheses. These rapidly growing BHs are expected to emit strong radiation and may appear as high-redshift compact objects, similar to those recently discovered by JWST. Although we focuse on PBHs in this work, the bound on the initial mass of the seed black holes remains robust even if they were formed through astrophysical channels.

研究动机与目标

• 激发这样一种可能性：约1000 Msun 的原始黑洞（PBHs）可以成为 JWST 在 z > 7 观测到的早期大质量星系的种子。
• 通过在早期晕中的吸积来建模PBH的生长，包括暗物质晕和反馈，以使观测到的星系质量相匹配。
• 通过分层贝叶斯推断利用 JWST 星系数据约束初始 PBH 质量函数。
• 比较多种PBH质量函数模型，并使用贝叶斯因子和AIC/BIC标准评估它们的统计支持。

提出的方法

• 用 Bondi–Hoyle 吸积并被周围密度为 rho ~ r^{-2.25} 的暗物质晕增强来建模PBH的生长。
• 引入机械反馈，使吸积下降至 f_MF ≈ 0.15，基于三维模拟。
• 定义无量纲吸积率 dot{m} = dot{M}_acc / dot{M}_Edd，并将PBH质量演化到 z ~ 7–10。
• 从初始分布（Lognormal、Multipeak、Powerlaw、Gaussian、Critical）构建PBH质量函数 psi(M,z) 并通过吸积演化（方程式2）。
• 应用分层贝叶斯推断来联合推断 p_pop(theta_i | lambda) 的超参数 lambda，使用 JWST 星系质量和红移数据（方程式4）。
• 使用相对于参考模型（Critical）的贝叶斯因子来评估模型，并比较AIC值以选择首选的PBH质量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些初始PBH质量分布能够解释在 z ≳ 7 观测到的 JWST 观测到的大质量星系？
• RQ2 在常见的PBH质量函数模型中，考虑吸积生长后，哪一种最获得 JWST 高-z 星系观测的支持？
• RQ3 吸积物理（包括暗物质晕和反馈）如何影响达到观测星系质量所需的PBH种子质量？
• RQ4 在现有数据下，支持某一PBH质量函数相对于其他模型的统计证据强度是多少？

主要发现

• 初始质量约为 1000 Msun 的 PBH 通过具有晕增强的高效吸积，在 z ≳ 7 时可以生长到约 10^6−10^8 Msun。
• 分层贝叶斯分析偏好对数正态PBH质量函数，M_c ≈ 750 Msun，最符合JWST数据。
• 基于贝叶斯因子，Lognormal、Powerlaw和Multipeak模型相较Gaussian和Critical模型得到明确偏好；Lognormal 是最强的。
• 从数据推断的多数PBH质量在各模型中聚集在约 ~1000 Msun。
• 在再电离期间未来的 JWST 数据可以进一步测试并区分 PBH 质量函数模型。