The direct collapse black hole (DCBH) scenario describes the isothermal collapse of a pristine gas cloud directly into a massive, M_BH=10^4-10^6 M_sun black hole. In this paper we show that large HI column densities of primordial gas at T~10^4 K with low molecular abundance - which represent key aspects of the DCBH scenario - provide optimal conditions for pumping of the 2p-level of atomic hydrogen by trapped Lyman alpha (Lya) photons. This Lya pumping mechanism gives rise to inverted level population of the 2s_1/2-2p_3/2 transition, and therefore to stimulated fine structure emission at 3.04 cm (rest-frame). We show that simplified models of the DCBH scenario amplify the CMB by up to a factor of 10^5, above which the maser saturates. Hyperfine splitting of the 3-cm transition gives rise to a characteristic broad (FWHM ~ tens of MHz in the observers frame) asymmetric line profile. This signal subtends an angular scale of ~ 1-10 mas, which translates to a flux of ~ 0.3-3 microJy, which is detectable with ultra-deep surveys being planned with SKA1-MID. While challenging, as the signal is visible for a fraction of the collapse time of the cloud, the matching required physical conditions imply that a detection of the redshifted 3-cm emission line would provide direct evidence for the DCBH scenario.
Can direct collapse black holes launch gamma-ray bursts and grow to supermassive black holes?
The existence of black holes (BHs) of mass ~ 10^{9} M_sun at z > 6 is a big puzzle in astrophysics because even optimistic estimates of the accretion time are insufficient for stellar mass BHs of ~ 10 M_sun to grow into such supermassive BHs. A resolution of this puzzle might be the direct collapse of supermassive stars with mass M ~ 10^{5} M_sun into massive seed BHs. We find that if a jet is launched from the accretion disk around the central BH, the jet can break out the star because of the structure of the radiation pressure-dominated envelope. Such ultra-long gamma-ray bursts with duratio…
Direct Collapse to Supermassive Black Hole Seeds with Radiative Transfer: Isolated Halos
暗物质晕内的直接坍缩是形成高红移超大质量黑洞种子的一条有效途径。这种坍缩的外部仍然是光学薄的，并且已经使用数值模拟进行了深入的研究。然而，坍缩的最内部区域预计会变得光学厚，需要我们跟踪辐射场，以了解其随后的演变。到目前为止，绝热近似仅用于此目的。我们应用辐射转移在通量限制扩散（FLD）近似解决耦合气体和辐射的演化，孤立的晕。对于孤立DM晕内的直接坍缩，我们发现：（1）光球在~10^{-6} pc时形成并迅速向外膨胀。(2)一个中央核心的形式，与质量的~1钼，支持热气体压力梯度和旋转。(3)（4）这一过程伴随着强烈的各向异性外流，另一个核在附近形成并迅速生长。(5)从这些核心周围的光球层发出的典型辐射光度约为5 x 10^{37}-5 x 10^{38}尔格/秒，与爱丁顿光度相当。(6)这一过程有两个变率时间尺度：一个是长变率，与中心~10^{-4}-10 ^{-3} pc的吸积流有关;另一个变率时间尺度为~0.1年，与辐射扩散有关。(7)绝热模型已经运行的比较和他们的演变深刻不同的FLD模型，通过形成一个中心的几何厚盘。总的来说，绝热状态方程不是直接坍缩高级阶段的良好近似，主要是因为FLD中的辐射能够由于光学深度和相关梯度的各向异性而逃逸。
Supermassive black hole seeds from direct collapse of CDM-curvature peaks
University of Canterbury（坎特伯雷大学）；Institute of Cosmology & Gravitation, University of Portsmouth（朴茨茅斯大学宇宙学与引力研究所）；INFN Sezione di Trieste（的里雅斯特意大利国家核物理研究所）；Rikkyo University（立教大学）；iCLA, Yamanashi Gakuin University（山梨学院大学国际基督教学习中心）；Centre for Theoretical Physics, Jamia Millia Islamia（贾米亚米利亚伊斯兰大学理论物理中心）
质量为$>10^5$ M $_\odot$的超大质量恒星（SMS）被认为是在红移$z>6-7$观测到的最极端的超大质量黑洞的可能祖先。在这种情况下（“直接碰撞”），SMS以速率$>0.1$ M $_\odot$ yr $^{-1}$吸积，直到它通过广义相对论（GR）不稳定性坍缩成黑洞。旋转在这种超大质量黑洞种子的形成中起着至关重要的作用。在这种恒星形成的极端情况下，离心屏障显得特别强大。此外，旋转敏感地影响SMSs对GR的稳定性，以及随后的崩溃。特别是，它可能允许黑洞形成时的引力波发射和超长伽马射线暴，这是目前文献中提出的此类物体存在的主要观测特征。在这里，我提出了最新的模型的SMSs帐户吸积和旋转，并讨论了一些开放的问题和未来的前景，在这条研究线。
Role of the H$_2^+$ channel in the primordial star formation under strong radiation field and the critical intensity for the supermassive star formation
Maximally accreting supermassive stars: a fundamental limit imposed by hydrostatic equilibrium
富含气体的星系的大合并提供了通过直接坍缩形成超大质量黑洞（SMBHs; $\gtrsim10^5$ M $_\odot$）的有利条件，因为它们可以在亚秒差距尺度上触发高达$10^4-10^5$ M $_\odot$ yr $^{-1}$的质量流入。然而，在这种情况下，SMBH形成的通道，无论是暗坍缩（直接坍缩没有事先恒星阶段）或超大质量恒星（SMS; $\gtrsim10^4$ M $_\odot$），仍然未知。在这里，我们调查吸积率的限制，恒星可以保持流体静力平衡。我们计算流体静力学模型的SMSs吸积在$1-1000$ M $_\odot$ yr $^{-1}$，并估计偏离平衡的后验考虑到有限的声速。我们发现吸积超过原子冷却极限（$\gtrsim10$ M $_\odot$ yr $^{-1}$）的恒星只有在超大质量时才能维持流体静力平衡。在这种情况下，它们以一种向液性结构演化，也就是说，熵是局部守恒的，并且与质量坐标的平方根成比例。我们的结果意味着恒星只有在原子冷却晕的速率下（$\sim0.1-10$ M $_\odot$ yr $^{-1}$）通过吸积才能变成超大质量。一旦它们是超大质量的，更大的速率是可能的。
Formation of supermassive stars in the first star clusters
超大质量恒星的形成被认为是形成大质量黑洞种子的重要中间步骤，这些种子成为超大质量黑洞，为早期宇宙中观察到的类星体提供动力。数值模拟表明，当原恒星的吸积速率高于$\sim10^{-2}$ M $_\odot$ yr $^{-1}$，并且碎裂在pc尺度上受到抑制时，超大质量恒星可以在原子冷却晕中形成。然而，仍然不确定的是，当较小尺度的碎片发生时，是否仍然会出现超大质量恒星，而不是形成星团。在这项工作中，我们探讨的问题，由于碰撞和吸积在低金属量的星团的相互作用，大规模的对象形成。我们模拟了一个小的嵌入式集群的吸积原恒星亚秒差距尺度破碎的原始气体云的崩溃过程中，并遵循其演变进行$N$体加流体动力学模拟。我们的研究结果表明，超大质量恒星与10 $^3$和10 $^4$ M $_\odot$总是形成由于相互作用的碰撞和吸积，在某些情况下，这些对象是一个双星系统的一部分。由此产生的超大质量恒星被数十颗较小的恒星包围，这些恒星的典型质量在$1$ - $100$ M $_\odot$范围内。
High-frequency water megamasers as precision probes of black holes, galaxies and cosmology: A case for a next-generation sub-mm/mm interferometer
New York University Abu Dhabi（阿布扎比纽约大学）；ASTRON, Netherlands Institute for Radio Astronomy（荷兰射电天文研究所）；Black Hole Initiative, Harvard University（哈佛大学黑洞倡议项目）；European Southern Observatory (ESO)（欧洲南方天文台）；University of Geneva（日内瓦大学）；National Sun Yat-Sen University（国立中山大学）；Bucknell University（巴克内尔大学）；Toyo University（东洋大学）；Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica（中央研究院天文及天文物理研究所）；National Radio Astronomy Observatory（美国国家射电天文台）
Probing supermassive stars and massive black hole seeds through gravitational wave inspirals
我们提出了一个新的引力波发射源：原始超大质量恒星内部致密碎片的螺旋辐射。这样的系统被认为是超大质量黑洞（SMBH）形成过程中的一个重要通道，但人们对此知之甚少。一个模型表明，在原子冷却的原始晕中，$0.1$-1 M $_\odot$ /yr的高吸积率可能导致核燃烧SMS的形成。这最终将通过相对论不稳定性发生坍缩，留下巨大的BH残留物。最近的模拟表明，超大质量恒星很少单独形成，而伴星甚至形成的黑洞可能会被捕获/吸积，并由于气体动力学摩擦而螺旋进入SMS核心。在这里，我们探讨了从这样的吸气产生的GW发射，这可能会探测SMS的形成和演化和第一个超大质量黑洞的种子。我们使用一个半解析的气体动力学摩擦模型的吸气在SMS来表征其属性。我们发现这样的来源可能是潜在的观察到即将到来的空间出生的GW探测器在其形成的红移与引力透镜的好处。密切相关的准恒星合并可能会产生更强的信号，尽管从其他高z事件中消除这种事件可能具有挑战性。
Little Red Dots as self-gravitating discs accreting on supermassive stars: Spectral appearance and formation pathway of the progenitors to direct collapse black holes
Niels Bohr International Academy, The Niels Bohr Institute（尼尔斯·玻尔国际学院，尼尔斯·玻尔研究所）；Center of Gravity, Niels Bohr Institute（引力中心，尼尔斯·玻尔研究所）；Department of Astrophysics, University of Zurich（苏黎世大学天体物理学系）
在$z \sim$ 15 - 20形成的超大质量恒星是第一类类星体起源的主要竞争者之一，其中超过200个现在已经在$z >$ 6发现。这些恒星可能形成于原始的、原子冷却的晕，沉浸在强烈的莱曼-维尔纳紫外线背景中，或者在高度超音速的重子流中。原子冷却引发了灾难性的重子坍缩，能够以高达$\sim$ 1 M $_{\odot}$/年$^{-1}$的速度形成恒星。在这里，我们研究超大质量恒星的演化与更大和更精细的网格吸积率比以前的研究与\texttt{MESA}恒星演化代码。我们发现，它们的最终质量范围从3.5 $\times$ 10 PDMATHAMT M $_{\odot}$ - 3.7 $\times$ 10 $^5$ M $_{\odot}$在0.001 M $_{\odot}$ yr $^{-1}$ - 1 M $_{\odot}$ yr $^{-1}$，分别。我们还发现超大质量恒星的演化在吸积速率为0.01 M $_{\odot}$ yr $^{-1}$ - 0.02 M $_{\odot}$ yr $^{-1}$时发散，超过这个吸积速率，它们沿着Hayashi轨道演化为冷的红超巨星，并在中心氢燃烧过程中通过广义相对论不稳定性坍缩，在这一点以下，它们演化为炽热的蓝超巨星，并在退出主序后的核燃烧寿命结束时坍缩。
