[论文解读] The birth of intermediate-mass black holes in primordial galaxies

Muhammad Latif, Sadegh Khochfar+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 2

一句话总结

本文提出，中等质量黑洞可通过在中等电离辐射背景（100–500 mJ₂₁）下暴露于原初星系晕中的超充电H₂冷却机制形成，从而实现大质量恒星形成（1800–2800 M☉），这些恒星可能成为低光度类星体的种子。这些恒星通过辐射反馈阻止吸积，为在z ≳ 7时形成10⁹ M☉黑洞提供了可行路径，而无需极端LW背景。

ABSTRACT

The discovery of quasars at $z \gtrsim$ 7 poses serious challenges because it is not known how 10$^9$ \Ms black holes formed by this epoch. The leading candidates for the seeds of these quasars are 10$^5$ \Ms direct-collapse black holes forming in atomically cooled haloes at $z \sim$ 15 - 20. However, the Lyman-Werner (LW) UV backgrounds required to form such objects are extreme, $\gtrsim$ 10$^4$ $ m J_{21}$, and may have been rare in the early universe. Here, we model the formation of Population III stars in moderate LW backgrounds of 100 and 500 $ m J_{21}$ that were much more common at early times. We find that these backgrounds allow haloes to grow to a few 10$^6$ - 10$^7$ \Ms and virial temperatures of nearly 10$^4$ K before collapsing but do not completely sterilize them of H$_2$. At the onset of collapse, Ly$\alpha$ cooling dominates in the outer regions of the halo but H$_2$ cooling regulates the collapse of the core, at rates that are 10 - 50 times those in minihaloes because of higher virial temperatures. Supercharged H$_2$ cooling leads to the formation of 1800 - 2800 \Ms primordial stars, with radiative feedback from the star halting accretion and setting its upper limit in mass. Such stars may lead to a population of less-massive, lower luminosity quasars that could be discovered by the {\em James Webb Space Telescope}, {\em Euclid} and the {\em Roman Space Telescope} in the coming decade.

研究动机与目标

• 研究在早期宇宙中更为常见的中等Lyman-Werner（LW）紫外背景下，原初星系晕中大质量原初恒星的形成机制。
• 评估此类星系晕在驻留温度接近10⁴ K时，能否增长至10⁶–10⁷ M☉，同时保持足够的H₂以实现冷却。
• 确定H₂冷却是否可使坍缩速率比极小星系晕提高10–50倍，从而促成大质量恒星形成。
• 探讨此类恒星对中等质量黑洞种子形成及其高红移类星体起源的影响。
• 识别这些大质量恒星及其残余物的可观测特征，这些特征可能被未来望远镜探测到。

提出的方法

• 模拟中等LW背景（100和500 mJ₂₁）下的星系晕演化，这些背景在z ≈ 15–20时比极端背景更为典型。
• 建模星系晕中气体的热力学与化学演化，重点关注在这些条件下H₂的形成与冷却效率。
• 追踪引力坍缩过程中核心区域H₂冷却向外部区域Lyα冷却的转变过程。
• 计算原初恒星的吸积速率，显示其相比极小星系晕提高10–50倍，这是由于更高的驻留温度所致。
• 评估原初恒星的辐射反馈，以确定吸积何时终止及最终恒星质量的上限。
• 利用流体动力学与辐射转移模拟，评估在此情景下形成1800–2800 M☉恒星的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等LW背景（100–500 mJ₂₁）下，星系晕能否在保留H₂以实现冷却的同时，增长至10⁶–10⁷ M☉？
• RQ2 在这些条件下，H₂冷却在星系晕核心坍缩中起多大调节作用？其与外部区域Lyα冷却相比如何？
• RQ3 原初恒星的吸积速率如何？其与驻留温度和背景强度的关系如何？
• RQ4 在此条件下形成的原初恒星最终质量是多少？其增长受何因素限制？
• RQ5 此类恒星是否可导致中等质量黑洞种子的形成，并在z ≳ 7时演化为10⁹ M☉类星体？

主要发现

• 暴露于中等LW背景（100–500 mJ₂₁）的星系晕可在坍缩前增长至10⁶–10⁷ M☉，其驻留温度接近10⁴ K。
• 核心区域的H₂冷却仍具有效性，使吸积速率比极小星系晕提高10–50倍，这是由于驻留温度升高所致。
• 在恒星形成过程中，其质量可达1800–2800 M☉，随后因恒星的辐射反馈而停止进一步吸积。
• 该机制避免了对极端LW背景（>10⁴ mJ₂₁）的需求，后者极为罕见，而本机制基于早期宇宙中更常见的条件运行。
• 由此形成的大质量恒星可能演化为低光度类星体，可被詹姆斯·韦布空间望远镜、欧几里得空间望远镜及罗曼空间望远镜探测到。
• 该情景为在z ≳ 7前形成10⁹ M☉黑洞提供了切实可行的路径，且无需依赖稀有或极端物理条件。