[论文解读] The Collapse of Atomically-Cooled Primordial Haloes. I. High Lyman-Werner Backgrounds

Samuel Patrick, Daniel J. Whalen+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2020

International Science and Diplomacy被引用 4

一句话总结

本研究利用高分辨率流体动力学模拟，模拟了在高Lyman-Werner背景辐射下，原子冷却原初晕的长期坍缩过程，发现吸积盘中的碎片化几乎普遍存在，并导致超大质量双星或多星系统的形成。模拟结果证实，快速重子坍缩持续时间足够长，足以形成直接坍缩黑洞（DCBH），表明这类双星系统在早期宇宙中普遍存在，且可通过LISA探测到其引力波辐射。

ABSTRACT

Pristine, atomically-cooled haloes may be the sites of primordial quasar formation because atomic cooling triggers rapid baryon collapse that can create 10$^4$ - 10$^5$ M$_{\odot}$ black hole seeds. However, no numerical simulation has ever followed the collapse of these haloes for the times required to form supermassive stars and direct-collapse black holes (DCBHs). We have now modeled baryon collapse in atomically-cooled haloes with a wide range of spin parameters and assembly histories for times that are sufficient for DCBH formation. Fragmentation of accretion disks after $\sim$ 500 kyr is nearly ubiquitous in these haloes and in most cases leads to the formation of binary or multiple supermassive stellar systems. They also confirm that rapid baryon collapse proceeds for the times required for these stars to form DCBHs. Our simulations suggest that binary or even multiple DCBH formation was the rule rather than the exception in the primordial Universe.

研究动机与目标

• 研究在高Lyman-Werner（LW）紫外背景辐射下，原子冷却原初晕中重子坍缩的长期演化过程。
• 确定吸积速率是否在足够长的时间尺度上维持高位，以促成直接坍缩黑洞（DCBH）的形成。
• 考察吸积盘碎片化在决定此类晕坍缩最终结果中的作用。
• 评估形成双星或多重DCBH系统的可能性，及其通过引力波探测的潜力。

提出的方法

• 利用Enzo代码进行高分辨率宇宙学流体动力学模拟，研究具有不同自旋参数和形成历史的原子冷却晕中重子坍缩过程。
• 引入吸积粒子以追踪吸积过程并解析原恒星尺度，同时保持数值稳定性。
• 采用压力下限以防止小尺度上的人工碎片化，确保角动量传输的准确性。
• 引入形成恒星的辐射反馈，以评估其对吸积和碎片化的影响。
• 在多个晕中模拟坍缩过程长达600 kyr，以捕捉吸积盘演化及碎片形成。
• 利用ytree软件分析晕及子结构的盘结构与碎片动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高Lyman-Werner背景辐射下，原子冷却原初晕中的重子坍缩是否持续足够长时间以形成直接坍缩黑洞（DCBH）？
• RQ2 原初晕坍缩过程中，吸积盘碎片化在多大程度上不可避免？其形成的系统类型（如双星、多星）为何？
• RQ3 形成恒星与黑洞的最终质量与构型如何依赖于晕的自旋参数与形成历史？
• RQ4 形成可合并且能发射可探测引力波的双星或多重DCBH系统的可能性有多大？
• RQ5 这些结果系统与H2冷却或第三星族恒星形成路径所预期的系统特性相比如何？

主要发现

• 在约500 kyr后，吸积盘中的碎片化几乎普遍存在，导致大多数模拟晕中形成双星或多星超大质量恒星系统。
• 快速重子坍缩持续时间超过600 kyr，足以形成质量为10^4–10^5 M☉的直接坍缩黑洞（DCBH）。
• 模拟结果证实，DCBH的形成并非罕见事件，而是常态；双星或多星系统在早期宇宙中形成是普遍现象而非例外。
• DCBH在近距离（0.1–0.2 pc）和高密度环境（≥10^7 cm⁻³）中形成，通过辐射阻尼实现快速轨道衰减，并发生后续合并，其引力波信号可被LISA探测。
• 最终系统包括SMS–SMS、SMS–DCBH和DCBH–DCBH双星系统，可能因潮汐撕裂事件产生独特的X射线和近红外辐射特征。
• 尽管模拟中未包含磁场，但碎片化模式与预期一致，表明在所解析尺度上，大尺度团块形成对磁场抑制具有鲁棒性。