Photon Trapping Enables Super-Eddington Growth of Black-Hole Seeds in Galaxies at High Redshift
我们确定了一种物理机制，它会导致z>6的星系中种子超大质量黑洞的快速，模糊的生长。具体来说，我们发现，在典型的高红移星系的中心密度的水平，邦迪吸积率意味着光子的扩散速度比引力下落速度慢，导致光子被困在吸积流和平流到黑洞。我们证明了存在一个黑洞质量范围（M_bh ~ 10^3-10^5太阳质量），在这个范围内，吸积流捕获辐射，对应于质量足够大以产生光子捕获吸积流的黑洞，但又足够小以使它们的邦迪半径不超过自引力气体的等温标度高度。在这些条件下，我们发现吸积达到远远超过爱丁顿速率的水平。对这种情况的预测是，z>6的活动星系核的X射线计数将在低光度处显示出截止值，对应于黑洞质量低于~10^5太阳质量。在低红移时，我们发现光子捕获并不重要，因为它只会发生在罕见的低自旋晕中，并且需要超过观测到的黑洞-晕质量关系的预期的黑洞质量。在高红移处，质量约为10^5太阳的种子黑洞的超爱丁顿增长可能为z~6-7的超大质量黑洞的增长提供了自然的加速，这距离大爆炸不到10亿年。
2011-11-23 astro-ph.CO
The SEEDZ Simulations: Methodology and First Results on Massive Black Hole Seeding and Early Galaxy Growth
Maynooth University（梅努斯大学）；Max-Planck-Institut für Astrophysik（马克斯·普朗克天体物理研究所）；University of Cambridge（剑桥大学）；Universität Heidelberg（海德堡大学）；Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；University College Cork（科克大学）；Cardiff University（卡迪夫大学）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）
SEEDZ模拟研究了宇宙早期巨量黑洞的形成与生长，揭示高红移宇宙中黑洞质量与宿主星系的关系尚未建立，黑洞可从初始重种子质量增长至百万倍太阳质量。
2026-03-18 astro-ph.CO astro-ph.GA
Chaotic accretion can (still) explain early supermassive black hole growth
Center for Physical Sciences and Technology（立陶宛物理与工程技术中心）；Astronomical Observatory, Vilnius University（维尔纽斯大学天文台）
本研究通过预测混沌吸积下黑洞的指数增长时标并与高红移观测比较，证明恒星质量种子经混沌吸积可解释早期超大质量黑洞的快速增长，无需大质量种子或超爱丁顿增长。
2026-10-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
Growth of Supermassive Black Hole Seeds in ETG Star-Forming Progenitors: Multiple Merging of Stellar Compact Remnants via Gaseous Dynamical Friction and Gravitational Wave Emission
提出了$z\gtrsim 1$上局域早型星系（ETGs）恒星形成祖星中超大质量黑洞（BH）种子生长的新机制。这设想的迁移和合并的恒星紧凑的残余物（中子星和恒星质量的黑洞）通过气体动力学摩擦向中央的高密度区域的星系。我们表明，在合理的假设和初始条件下，该过程可以建立中央BH质量的顺序$10^4-10^6\, M_\odot$在一些$10^7$年，因此有效地提供重种子之前，标准盘（类爱丁顿）吸积接管，成为进一步BH增长的主导过程。值得注意的是，当宇宙$\lesssim 0.8$ Gyr的年龄构成了一个苛刻的限制时，这种机制可能为$z\gtrsim 7$类星体宿主中数十亿太阳质量BH的积累提供一种解释，而不是超爱丁顿吸积速率;此外，本发明还在红移$z\sim 2-6$的更常见的ETG祖细胞中，即使在短时间内的中等爱丁顿比$\lesssim 0.3$下，恒星形成持续时间$\lesssim$ Gyr。最后，我们探讨了未来的地面和空间探测器，如爱因斯坦望远镜（ET）和激光干涉仪空间天线（LISA）通过引力波发射检测迁移的恒星残骸和积累的中央超大质量BH之间的合并事件的前景。
2020-02-10 astro-ph.CO astro-ph.GA
Light, heavy, primordial: exploring the diversity of black hole seeding and growth mechanisms in the JWST era
University of Toronto（多伦多大学）
本文通过比较DELPHI和PHANES模型，探讨了轻重种子通过并合和吸积增长的机制，发现PBH和Eddington限制的重种子能同时解释观测到的黑洞质量、恒星质量及低金属丰度。
2026-04-22 astro-ph.CO astro-ph.GA
Constraints from dwarf galaxies on black hole seeding and growth models with current and future surveys
本研究利用半解析模型分析矮星系黑洞占据比例，发现当前X射线观测支持遵循幂律爱丁顿比分布的重种子模型，并为未来多波段巡天设计提供优化建议。
2023-04-04 astro-ph.CO astro-ph.GA
Accelerated growth of seed black holes by dust in the early universe
我们探讨了早期宇宙中尘埃对种子黑洞（BH）生长的影响。以前的一维辐射流体动力学（RHD）模拟表明，增加对尘埃的辐射压力进一步抑制吸积率比化学原始气体的情况下。利用Enzo + Moray程序，我们对尘埃星际介质中黑洞的吸积过程进行了三维RHD模拟。我们使用修改后的Grackle冷却库考虑尘埃物理在其非平衡化学。BH经历了一个早期的进化阶段，电离BH辐射在吸积和反馈之间循环时产生了一个振荡的HII区域。随着模拟的进行，稠密的冷气体在电离区域外聚集，在那里中性介质的流入与辐射压力驱动的流出相遇。在后期阶段，高密度的气体流发展并打破电离区域的准球形对称性，迅速提高吸积速率。晚期的特征是强电离流出和高密度气体流入共存。平均吸积率随着金属丰度的增加而增加，在Z $\sim$ 0.01 - 0.1 $\,Z_\odot$处达到峰值，比原始气体高一个数量级。然而，当金属丰度接近太阳丰度时，平均吸积速率会下降，因为辐射压力变得足够强，足以驱逐高密度气体。我们的研究结果表明，一个充满灰尘的金属贫ISM可以加速宇宙早期的BH的增长速度，然而，可以stunt其增长的ISM是进一步丰富的太阳丰度。
2022-01-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
Early growth of typical high redshift black holes seeded by direct collapse
理解高红移大质量黑洞的生长是一个天文物理学的重要问题。$z>6$上最明亮的类星体经常被观测到，但它们只是冰山一角，因为大多数低光度活动星系核仍然没有被发现。在本研究中，我们进行了一个辐射流体力学宇宙学模拟研究的“正常”黑洞在高红移宇宙的增长。在我们的模拟中，我们模拟了Pop III和Pop II恒星的形成以及它们的化学，机械和辐射反馈。我们考虑了吸积黑洞的紫外和X射线辐射来模拟其辐射反馈。选定的光环在$z=7.5$的质量为$\rm 3 \times 10^{10}~M_{\odot}$，当光环质量达到远高于原子冷却极限时，我们打开来自$\rm 10^5~M_{\odot}$的MBH种子的辐射反馈以及在$z=12$的原位恒星形成。我们发现，在3.2亿年的时间里，MBH只吸积了大约2200个$\rm M_{\odot}$，而MBH上的平均质量吸积是$\rm 10^{-6}~M_{\odot}/yr$的几倍。我们的研究结果表明，MBH的发育不良的增长是一个后果的超新星在串联与MBH反馈驱动大的外流和疏散的气体从MBH附近。这也许可以解释为什么到目前为止在$z>6$还没有发现低光度活动星系核的存在;恒星形成率和MBH吸积率之间的巨大反差可能使得即使在即将到来的深空探测中也很难发现。
2018-07-10 astro-ph.CO astro-ph.GA
Songlines from Direct Collapse Seed Black Holes: Effects of X-rays on Black Hole Growth and Stellar Populations
在过去的十年中，超大质量黑洞（SMBH）的增长与星系的形成和演化有着错综复杂的联系，并且是星系组装的关键因素。为了研究SMBH的起源，我们进行了宇宙学模拟，目标直接坍缩黑洞（DCBH）种子形成的情况下，存在两个不同的强莱曼-沃纳（LW）背景场。这些模拟包括来自中心大质量黑洞（MBH）的X射线辐射、$\rm{H}_2$的自屏蔽以及来自无金属和富金属恒星的恒星反馈。我们发现，在这两个模拟中，本地X射线反馈诱导无金属恒星形成$\sim 0.5$ MYR后MBH的形式。MBH吸积速率在两个模拟中都达到最大值$10^{-3}$ $M_{\odot}$ yr $^{-1}$。然而，占空比不同，对于高和低LW情况，分别导出为$6\%$和$50\%$。与低LW情况下的$16\%$相比，高LW情况下的MBH仅在1亿年内增长$\sim 6\%$。我们发现，最大吸积速率由局部气体热力学决定，而占空比则由大尺度气体动力学和气藏决定。我们的结论是，辐射反馈中央MBH在恒星形成的核区域和窒息初始MBH的增长中起着重要的作用，相对于典型的爱丁顿速率参数，和初始MBH的增长可能会受到本地LW辐射场。
2014-10-13 astro-ph.CO astro-ph.GA
Effects of the Hubble Parameter on the Cosmic Growth of the First Quasars
超大质量黑洞（SMBH）在星系的演化中起着至关重要的作用，目前已被探测到$z\sim 7.5$。描述黑洞（BH）生长的理论受到了挑战，在$z \sim 20-30$形成的初始质量为$M_{\bullet} \lesssim 10^5 \, \mathrm{M_{\odot}}$的种子如何快速地通过$z\sim 7$生长为$M_{\bullet} \sim 10^9 \, \mathrm{M_{\odot}}$。在这里，我们研究的哈勃参数，$H_0$，模型描述的早期生长的BH的值的影响。首先，我们注意到，如果模型中使用的哈勃参数从$H_0 = 65$到$H_0 = 74$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$，一个包含当前估计值的范围，则$z=6$中类星体的预测质量会发生$> 300$ %的变化。采用基于$z \gtrsim 6.5$类星体和$H_0$先验的MCMC方法，研究了$H_0$和描述BH生长的参数：种子质量$M_i$和爱丁顿比$f_{\rm Edd}$之间的相互联系.假设$f_{\rm Edd} = 0.7$的爱丁顿比与以前的估计一致，我们发现$H_0 = 73.6^{+1.2}_{-3.3}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$。在第二次分析中，允许所有参数自由变化，我们发现$\log(M_{i}/\mathrm{M_{\odot}}) > 4.…
2020-06-02 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Toward Black Hole Stars: supermassive black hole growth in nuclear clusters via stellar-object and gas accretion
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；Sorbonne Université（索邦大学）；University of Oxford（牛津大学）
研究提出通过恒星-物体和气体吸积在核团中形成超大质量黑洞的机制，预测高红移下的潮汐破坏事件率，并解释其对星系核形成的影响。
2026-03-17 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Loss-Cone-Limited Dark Matter Capture by Early Black Hole Seeds
Center for Astrophysics, Department of Physics and Astronomy, University of Notre Dame（圣母大学物理与天文学系天体物理学中心）
针对早期黑洞种子，建立损失锥框架研究无碰撞暗物质捕获，结合Fokker-Planck处理角动量输运，发现普通恒星弛豫贡献可忽略，原初黑洞或三轴轨道可产生显著增长，但自洽计算中吸积受供应限制，NFW模型高估持续增长。
2026-11-10 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Seeds of supermassive black holes in general relativistic and alternative cosmologies: Implications of massive seeds
Gauhati University（古哈提大学）
研究探讨了在不同宇宙学模型下，大质量种子黑洞如何通过吸积形成超大质量黑洞，并分析了其对暗物质和星系形成的影响。
2026-01-30 astro-ph.CO
Supermassive Seeds for Supermassive Black Holes
最近对由z > 7的超大质量黑洞（SMBH）驱动的类星体的观测限制了初始种子质量和早期宇宙中最大质量黑洞（BH）的生长。在这里，我们阐明了辐射反馈的影响，从早期几代的恒星和BH吸积流行的模型的形成和生长的种子BH。我们表明，通过适当地考虑（1）从早期恒星形成和辐射反馈的宇宙学模拟中推断的合并在生长种子黑洞中的有限作用，（2）在最早的时候预期的黑洞的亚爱丁顿吸积率，（3）根据高红移活动星系核的观测结果推断的最大质量黑洞的大辐射效率（e_rad）（e_rad > 0.1），我们得出结论，最初的BH种子可能有大于10^5 M_Sun的质量。这对粒子群III种子模型提出了强烈的挑战，该模型要求种子质量为~ 100 M_Sun，即使有恒定的爱丁顿限制吸积，也需要e_rad < 0.09来解释今天标准Lambda CDM宇宙学模型中最高z的SMBH。然而，这与SMBH种子形成的直接坍缩方案的预测是一致的，在该方案中，超大质量原始恒星在宇宙中具有高分子离解背景辐射场的区域形成，并直接坍缩成10^4- 10^6 M_Sun种子BH。这些结果证实了最近的宇宙学模拟和观测活动，这些活动表明，这些大质量的黑洞是今天居住在星系中心的大部分SMBH的种子。
2013-05-18 astro-ph.CO
The growth of supermassive black holes fed by accretion disks
超大质量黑洞可能存在于大多数星系的中心。有一个共识是，这些奇异的物体是由种子的生长形成的，或者是通过从环核盘吸积质量和/或通过合并过程中的聚结。被中心物体捕获的盘的质量分数和相关的时间尺度仍然是悬而未决的问题，以及这些量如何取决于盘或种子的初始质量或角动量输运机制等参数。本文论述了吸积盘演化和种子生长的这些特殊方面。对一个轴对称圆盘的含时流体动力学方程进行了数值求解，其中的引力势既包括中心物体的贡献，也包括圆盘本身的贡献。数值代码是基于欧拉形式主义，使用二阶有限差分法，根据交错网格上的Van Leer迎风算法。目前的模拟表明，种子捕获约一半的初始磁盘质量，结果弱依赖于模型参数。吸积盘质量的50%所需的时间尺度是在130-540百万年的范围内，这取决于所采用的参数。这些时间尺度允许解释明亮的类星体在z ~ 6.5的存在。此外，在年底的磁盘演化，一个“环面状”的几何形状的发展，提供了一个自然的解释，这些结构的存在，在活动星系核的中心区域，代表一个额外的支持统一的模型。
2010-09-19 astro-ph.CO
Growth of Light-Seed Black Holes in Gas-Rich Galaxies at High Redshift
本研究针对高红移富气星系中轻种子黑洞的增长问题，利用Arepo代码追踪相关恒星与黑洞形成，发现无反馈时黑洞10^4年可增至10^5 M⊙，超新星反馈使活跃增长黑洞数减一个量级但仍有1%呈超高爱丁顿吸积，为后续研究奠定基础。
2024-11-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Probing the Growth of Massive Black Holes with Black Hole-Host Galaxy Spin Correlations
超大质量黑洞（SMBH）通常在其宿主星系的中心发现，但它们的形成仍然是一个悬而未决的问题。根据黑洞质量与宿主星系核球分量速度色散之间的紧密相关性，建立了黑洞-宿主星系共同演化的假设。然而，这样的描述仍然包含许多理论上的不确定性，包括在高红移的BH种子的形成和这些种子的生长通道的困惑。在这项工作中，我们系统地分析了MBH自旋上不同生长通道的签名。我们表明，不同的生长通道可以部分区分与MBH自旋的幅度推断从极端质量比inspirals检测的激光干涉空间天线。此外，我们建议测量MBH自旋方向与其宿主星系自旋方向之间的相关性，这对于低红移星系（$z \le 0.3$）中发生的极端质量比螺旋是可能的。通过包括自旋方向相关性，不同的形成通道将被显著更好地约束。
2020-08-23 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Horizon growth of supermassive black hole seeds fed with collisional dark matter
本文研究了碰撞暗物质在超大质量黑洞种子上的吸积。分析是基于完全耦合系统的球对称流的爱因斯坦-欧拉方程的数值解，其中的暗物质被建模为一个完美的流体，服从理想气体状态方程。随着黑洞的实际增长，暗物质的吸积速率对应于黑洞视视界的增长速率。我们分析的情况下，降落速度高达$0.5c$和环境密度$100M_{\odot}/\mathrm{pc}^3$，这是相当极端的条件。作为径向通量的最大吸积的情况下，我们的研究结果表明，吸积的理想气体，最终碰撞暗物质，并没有显着的SMBH质量。这一结果有利于预测SMBH已经形成超大质量的模型。我们表明，尽管事实上，我们正在解决完整的广义相对论系统，我们的结果是令人惊讶的相似，使用邦迪公式，这在某种程度上证明了它的使用作为一个很好的近似的一个完全演化的时空与球对称在短尺度至少暗物质密度的参数空间研究。此外，我们研究了气体的密度分布，发现SMBH的存在使事件视界附近的气体重新分布，具有尖角分布，而超过一小部分秒差距，它就不再是尖角了。
2014-06-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
On the growth of supermassive black holes formed from the gravitational collapse of fermionic dark matter cores
提出早期宇宙中费米子致密暗物质核引力坍缩形成SMBH种子的新通道，并通过广义相对论盘吸积模型证明其可在首个十亿年增长至约10^9–10^10倍太阳质量。
2023-05-03 astro-ph.CO
The Growth of the Stellar Seeds of Supermassive Black Holes
在一小部分z > 10的原星系中，重子坍缩成质量超过10^4 M_Sun的超大质量恒星是超大质量黑洞起源的一个有希望的候选者，其中一些黑洞在z ~ 7时增长到10亿太阳质量。我们确定了这些恒星通过吸积原始气体所能达到的最大质量。我们发现，在相对较低的吸积速率下，这些恒星的强电离辐射将它们的质量限制在M_* ~ 10 ^-3 M_Sun（dM_acc/dt / 10^-3 M_Sun yr^-1）^[8/7]，其中dM_acc/dt是恒星获得质量的速率。然而，在原星系坍缩的数值模拟中通常会发现较高的中心坍缩速率（>~ 0.1 M_Sun/yr^-1），恒星的寿命反而将其最终质量限制在>~ 10^6 M_Sun。此外，由于恒星的球形吸积率可以增长，其电离辐射被限制在原星系的深处，因此恒星的演化与其宿主星系的演化是解耦的。来自周围H II区域的莱曼α辐射被困在这些重吸积流中，并可能被重新加工成强烈的巴耳末系辐射，这可能被詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到。这一点，以及强烈的He II 1640埃和连续辐射，很可能是高红移超大质量黑洞祖先的关键观测特征。
2012-02-28 astro-ph.CO
Halo Mergers Enhance the Growth of Massive Black Hole Seeds
本研究通过模拟四种晕塌缩情景，发现晕合并（特别是飞掠碰撞）能增强中心气体密度，使黑洞种子吸积速率提高，最终质量可达孤立晕情况的2-3倍，对早期超大质量黑洞形成至关重要。
2024-10-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
A two-phase model of galaxy formation: IV. Seeding and growing supermassive black holes in dark matter halos
Nanjing University（南京大学）；Key Laboratory of Modern Astronomy and Astrophysics, Nanjing University, Ministry of Education（南京大学现代天文与天体物理教育部重点实验室）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Department of Astronomy, University of Massachusetts, Amherst（美国马萨诸塞大学阿默斯特分校天文学系）
本文提出一个理论框架，研究在暗物质晕的组装历史中播种和生长超大质量黑洞的过程，通过核爆发和合并等机制，探讨黑洞与星系的共同演化。
2026-11-06 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Hierarchical Black Hole Mergers at High Redshift: Predictions for LISA and LGWA from SEEDZ
Maynooth University（梅努斯大学）；Max-Planck-Institut für Astrophysik（马克斯·普朗克天体物理学研究所）；University of Hertfordshire（赫特福德大学）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）；University College Cork（科克大学学院）；Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Universität Heidelberg（海德堡大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
基于SEEDZ模拟，研究早期宇宙黑洞层级并合，发现强AGN反馈抑制并合增长，NoFB为上限，需在LISA等设施前打破多重简并。
2026-10-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
Hidden-sector accretion and warped black-string seeds for high-redshift supermassive black holes
Jagiellonian University（雅盖隆大学）
提出通过隐藏扇区吸积形成五维黑洞弦，其与我们的膜相交产生黑洞种子，从而解释高红移超大质量黑洞的起源。
2026-06-02 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Dark-to-black super accretion as a mechanism for early supermassive black hole growth
Universitat de València（瓦伦西亚大学）；Universidad de Guanajuato（瓜纳华托大学）；Universidad Nacional Autónoma de México（墨西哥国立自治大学）
本文提出暗物质到黑洞的超吸积机制，通过标量场吸积使早期黑洞快速生长，为探索暗物质性质提供新途径。
2026-02-17 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
