Seeds Don't Sink: Even Massive Black Hole "Seeds" Cannot Migrate to Galaxy Centers Efficiently
早期宇宙中超大质量黑洞的可能形成场景包括通过超级爱丁顿吸积或失控合并从质量较小的种子黑洞（BH）快速增长，但这两种场景都需要种子黑洞通过动力学摩擦有效地下沉并被困在银河系中心。这可能是不正确的，为他们的复杂的动力学在clusional高$z$星系。在这项工作中，我们研究这个“下沉问题”与国家的最先进的高分辨率宇宙学模拟，结合直接$N$体集成种子BH轨迹和后处理随机生成的测试粒子与新开发的动态摩擦估计。我们发现种子BH的质量小于$10^8\,M_\odot$（即，除了已经超大质量的种子外，所有的种子）都不能有效地在典型的高$z$星系中下沉。我们还讨论了两种可能的解决方案：大幅增加种子的数量，使一个种子可以最终被困在银河系中心的机会，或种子BH被嵌入在密集的结构（如星团）与有效质量以上的质量阈值。我们将讨论这两种解决方案的局限性。
2021-09-17 astro-ph.GA astro-ph.HE
Early black-hole seeds in the first billion years
拥有十亿太阳质量的超大质量黑洞已经存在于第一个Gyr中，然而，在如此短的时间内，它们的起源和成长是非常具有挑战性的。本文讨论了早期黑洞种子的形成途径，指出了恒星起源的轻黑洞种子的极限，以及在特殊的原始条件下气体直接坍缩产生的重/大质量黑洞种子的预期特征。为了对可能的候选者和环境介质的作用得出结论，我们使用N体流体动力学模拟的结果，包括原子和分子非平衡丰度计算，冷却，恒星形成，反馈机制，恒星演化，SNII，AGB和SNIa中几种重元素的金属扩散，和多频辐射转移超过150个频率耦合到化学和SED发射的popII-I和popIII恒星源。标准的恒星起源的轻黑洞不太可能是早期超大质量黑洞的可靠种子，因为在现实的假设下，它们不可能在不到10亿年的时间内显著增长。另外，大质量黑洞的种子可能来自原始静止的小晕中原始气体的直接坍缩，这些小晕暴露在附近恒星形成区的恒星辐射下。形成这些重粒子所需的必要条件必须辅之以关于当地环境的复杂特征和化学演变与辐射转移之间的精细平衡的信息。
2020-06-11 astro-ph.GA astro-ph.HE
Growth of Light Seed Black Holes in the Early Universe
Department of Physics, Maynooth University（梅努斯大学物理系）
本文研究了早期宇宙中轻量种子黑洞通过新型种子处方和高分辨率模拟快速增长到10^4倍太阳质量的现象，为解释JWST观测和未来引力波探测提供重要依据。
2026-01-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
Feedback Limits to Maximum Seed Masses of Black Holes
在宇宙中观测到的质量最大的黑洞的质量可达$\sim 10^{10} \, \mathrm{M_{\odot}}$，几乎与红移无关。达到这些最终的质量可能需要大量的增生和几个主要的合并。采用动力学的方法，这取决于一个新的，相关的物理尺度-过渡半径所扮演的角色-我们提供了一个理论计算的最大质量可实现的黑洞种子，形成在一个孤立的晕，一个几乎没有合并。在过渡半径和它们对孤立晕中的吸积演化的影响，我们能够获得新的限制允许的增长。我们发现，大的黑洞种子（$M_{\bullet} \gtrsim 10^4 \, \mathrm{M_{\odot}}$）托管在小的孤立晕（$M_h \lesssim 10^9 \, \mathrm{M_{\odot}}$）吸积相对较小的辐射效率（$ε\lesssim 0.1$）在这些情况下生长最佳。此外，我们表明，在$z \sim 0$观察到的标准$M_{\bullet}-σ$关系不能建立在孤立的晕在高$z$，但需要发生合并。由于在$z \gtrsim 10$形成的黑洞的平均极限质量在$10^{4-6} \, \mathrm{M_{\odot}}$的范围内，我们希望在本地星系中观察到它们作为中等质量黑洞，当托管在罕见的晕中时，只经历了轻微的或没有合并事件。这种古老的黑洞，在孤立的情况下形成，随后几乎没有增长，可以存活下来，几乎没有变化，直到现在。
2017-02-16 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Light or heavy supermassive black hole seeds: the role of internal rotation in the fate of supermassive stars
超大质量黑洞是星系演化的关键因素。然而，其起源仍有很大争议。在一个主要的形成场景中，$\sim100$ M $_{\odot}$黑洞是由超大质量恒星（$\gtrsim 10^{4-5}$ M $_{\odot}$）的内核坍塌造成的，该恒星是由原始气体在$z\sim 15$新形成的星系中心快速积累（$\gtrsim 0.1 $ M $_{\odot}$ yr $^{-1}$）而产生的。随后的演化仍然是推测性的：超大质量恒星中剩余的气体可以直接进入新生的黑洞，或者它的一部分可以形成一个中央吸积盘，其光度维持周围的大质量和几乎流体静力学的包络（称为“准星”的系统）。为了解决这一点，我们考虑了旋转对准恒星的影响，因为角动量不可避免地被积累的气体输送到星系核。使用一个模型的内部重新分配的角动量，定性匹配的结果从模拟旋转对流恒星信封，我们表明，准恒星的信封质量大于几个$10^{5}$ M $_{\odot} \times (\rm black~hole~mass/100 M_{\odot})^{0.82}$有高度次开普勒气体运动在其核心，防止气体循环外的黑洞的视界。质量较小的类恒星可能会形成，但在吸积光度解开包层之前，它们只能持续$\lesssim 10^4$年，从而抑制黑洞的生长。我们推测，这可能最终导致一个双黑洞种子人口：（i）大规模（$>10^{4}$ M $_{\odot}$）种子形成…
2016-09-29 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Growth of Massive Black Hole Seeds by Migration of Stellar and Primordial Black Holes: Gravitational Waves and Stochastic Background
我们研究了尘埃恒星形成星系中大质量黑洞（BH）种子的形成和生长，依赖并扩展了Boco等人2020提出的框架。具体来说，后者设想恒星致密残余物（中子星和恒星质量的黑洞）通过气体动力学摩擦向星系核区域迁移，随后合并生长一个大质量的中央BH种子。在本文中，我们增加了两个相关的成分：（i）我们包括原始BH，这可能构成一个小部分$f_{\rm pBH}$的暗物质，作为一个额外的组件参与种子的生长;（ii）我们预测的随机引力波背景起源于种子的生长过程中，无论是从恒星致密残留物和原始BH合并。我们发现，后者的事件有助于最中央种子的初始增长在一个时间尺度的$10^6-10^7\,\rm yr$，恒星致密的残余合并和气体吸积接管之前。此外，如果原始黑洞$f_{\rm pBH}$的分数足够大，它们在核星系区合并时发射的引力波可以被未来的干涉仪如爱因斯坦望远镜，DECIGO和LISA探测到。对于伴随的随机引力波背景，我们预测它在宽频带$10^{-6}\lesssim f [{\rm Hz}]\lesssim 10$上延伸，这与孤立致密双星合并产生的典型范围有很大不同。一方面，检测到这样的背景可能是一个吸烟枪，以测试拟议的种子生长机制;另一方面，它构成了一个相关的污染物从天体物理来源的特点和扣除，在具有挑战性的搜索宇宙起源的原始背景。
2021-09-24 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Formation of supermassive black hole seeds
在$z>6$上对类星体的探测揭示了数十亿太阳质量的超大质量黑洞的存在。这些极端天体的快速形成过程仍然是一个迷人而开放的问题。这样的发现意味着种子黑洞必须在早期形成，并通过快速吸积或BH/星系合并而成长。在这篇理论综述中，我们详细讨论了各种BH种子的形成机制和在其组装过程中发挥的物理过程。我们讨论了三个最流行的BH形成的情况下，涉及（i）大质量恒星的核心崩溃，（ii）致密的核星团的动力学演化，（iii）的原银河系的无金属气体云的崩溃。本文旨在对该领域最先进的研究进行广泛的介绍和概述。
2016-08-22 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
Science with an ngVLA: Local Constraints on Supermassive Black Hole Seeds
确定第一个超大质量黑洞的形成和生长机制是河外天体物理学的首要任务之一。观测线索可以从附近低质量星系中大质量黑洞（太阳质量在1万到100万之间）的人口统计中推断出来。下一代甚大阵列（ngVLA）科学书的这一章描述了ngVLA如何在开发低质量星系（接近1 Gpc）中弱吸积活动星系核的大型样本中发挥突出作用，这将有助于限制最初播种超大质量黑洞生长的对象类型。
2018-10-16 astro-ph.GA astro-ph.HE
Gravitational Wave Signals from the First Massive Black Hole Seeds
最近的数值模拟表明，原始气体在原子冷却晕中的等温坍缩可能导致具有$M_* \gtrsim 10^4\ \mathrm{M}_{\odot}$的超大质量恒星双星。对于第一次，我们计算的就地合并率，这样的大规模黑洞残余物相结合的丰度和多重性的估计。对于初始质量在$10^{4-6} \ \mathrm{M}_{\odot}$范围内的黑洞，在红移$z \gtrsim 15$处合并，我们的乐观模型预测LISA应该能够检测到每年0.6次合并。这种探测率可以毫无疑问地归因于超大质量恒星坍缩产生的种子就地合并。同样，在LISA没有观测到来自$z \gtrsim 15$重种子的合并的情况下，我们可以限制这些高红移系统的合并数密度、多重性和合并时间。这封信提出引力波签名作为一种手段来约束理论模型和过程，这些模型和过程控制着早期宇宙中大量黑洞种子的丰度。
2018-07-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
Growth of High-Redshift Quasars from Fermion Dark Matter Seeds
Sapienza Università di Roma（罗马大学）；ICRA（国际相对论天体物理中心）；ICRANet（国际相对论天体物理网络中心）；INAF – Osservatorio Astronomico d’Abruzzo（意大利国家天体物理研究所阿布鲁佐天文台）；Université de Nice Sophia-Antipolis（尼斯索菲亚安蒂波利斯大学）；INAF（意大利国家天体物理研究所）
研究通过最小宇宙学框架，推断出高红移类星体生长的初始条件，表明费米暗物质核心坍缩可能形成大质量种子黑洞。
2026-02-04 astro-ph.GA astro-ph.HE
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
An empirical approach to selecting the first growing black hole seeds with JWST/NIRCam
詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）将具有探测早期低质量黑洞的灵敏度，因为它们从“种子”过渡到超大质量黑洞（BH）。基于JAGUAR模拟星系目录，我们提出了一个干净的颜色选择，利用吸积超大质量黑洞具有相对较低的质量和高吸积率的独特的紫外线斜率。我们显示了一系列的主机恒星质量，这些星系托管$\sim 10^{6} M_{\odot}$ BH辐射在>10%的爱丁顿光度分离的颜色空间从不活跃的系统。在这里，我们提出了一套3波段，2色选择框（90%的完整性; 90%的纯度;平衡纯度/完整性）与JWST/NIRCam，以确定最有前途的增长BH候选人在$z \sim 7-10$。
2023-03-16 astro-ph.GA astro-ph.HE
Impact of gas based seeding on supermassive black hole populations at $z\geq7$
破解超大质量黑洞~（SMBHs）的形成是即将到来的观测设施的一个关键科学目标。在迄今为止提出的大多数理论通道中，种子的形成关键取决于局部气体条件。我们系统地描述了一系列基于气体的黑洞播种处方对SMBH人口的宇宙学模拟的影响。质量为$M_{\mathrm{seed}}\sim 10^3-10^{6}~M_{\odot}/h$的种子被放置在超过恒星形成临界阈值的晕中，贫金属气体质量和晕质量（分别定义为$\tilde{M}_{\mathrm{sf,mp}}$和$\tilde{M}_{\mathrm{h}}$，单位为$M_{\mathrm{seed}}$）。我们量化了这些参数对$z\geq7$ SMBHs性能的影响。较低的种子质量产生高得多的BH合并率（分别通过$z\sim7$和$z\sim15$的$\sim10$和$\sim1000$的因子）。对于固定的种子质量，我们发现，$\tilde{M}_{\mathrm{h}}$具有最强的影响BH人口在高红移（$z\gtrsim15$，其中$\tilde{M}_{\mathrm{h}}$增加10倍抑制合并率由$\gtrsim 100$）。在较低的红移（$z\lesssim15$），我们发现$\tilde{M}_{\mathrm{sf,mp}}$对BH布居有较大的影响。增加$5-150$中的$\tilde{M}_{\mathrm{sf,mp}}$可…
2021-11-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
Probing the formation of the seeds of supermassive black holes with gravitational waves
在10万到10万太阳质量之间的中间质量范围内存在黑洞，填补了恒星和超大质量黑洞之间的空白，这是解释红移高达7的发光类星体起源的一个关键预测。要在不到10亿年的时间里形成10亿个太阳大小的巨型黑洞是绝对困难的。这导致了种子黑洞的概念。它们是在宇宙黎明时形成的高红移中等质量黑洞。种子是一个短暂的群体，后来通过吸积和合并的事件变得庞大。在这一章中，我们将探索发现种子黑洞的可能性，并通过探测它们在合并时（即它们配对形成近距离双星时）发出的引力波信号来跟踪它们在整个宇宙时期的生长。我们表明，欧空局的LISA任务的低频引力波的检测将是至关重要的，在授予这一见解。引力波在宇宙中畅通无阻地传播，并携带着关于合并中的黑洞的质量和自旋的精确信息。为此，我们介绍了双星引力波发射的关键概念，简要描述了它们在晕合并和星系碰撞过程中的形成途径。
2018-07-17 astro-ph.GA astro-ph.HE
The Observational Signatures of Supermassive Black Hole Seeds
最初的黑洞种子的起源和性质仍然有待确定，这些种子会生长以产生所观察到的吸积源种群。要从形成成长中黑洞的组装历史的燃料和动力学中独特地解开播种的特征是一个挑战。为了解决这个问题，我们使用一个半解析模型来跟踪超大质量黑洞的增长，采用多种处方吸积。与早期的治疗相比，我们探讨播种模型和两个吸积模式之间的相互作用。我们发现，签名的初始播种生存在以下观测探测：黑洞的占有率;未解决的X射线背景的贡献;低光度和高红移光度函数;和在引力波事件签名。我们发现，低质量端的M-西格玛关系的行为是由所采用的吸积处方的不确定性，并没有提供明确的区分播种模型。我们对未来的调查做出了具体的预测，特别是对Lynx X射线测量仪和LISA（激光干涉仪空间天线）任务，这两项任务都将对种子种群提供不同但强烈的限制。LISA探测到的黑洞合并和Lynx观测到的高红移类星体光度函数将提供最清晰的播种判别。虽然黑洞播种机制的签名仍然与我们对黑洞吸积和动力学的理解有关，但我们提供了关于如何利用这些即将到来的多波长观测来有效地解开它们的新见解。
2018-09-04 astro-ph.GA
Cosmic String Loops as the Seeds of Super-Massive Black Holes
最近发现的超大质量黑洞在高红移表明一个可能的紧张局势与标准的Lambda CDM范式的早期宇宙学，有困难的解释所需的非线性紧凑的种子，触发这些超大质量黑洞的形成的起源。在这里，我们表明，宇宙弦循环，导致从一个缩放的解决方案中形成的字符串在非常早期的宇宙相变导致一个额外的来源紧凑的种子。弦诱导的种子的数密度在高红移处占主导地位，可以帮助触发所观察到的超大质量黑洞的形成。
2015-07-03 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Theoretical reevaluations of the black hole mass - bulge mass relation - I. Effect of the seed black hole mass
我们利用星系形成的半解析模型结合大宇宙学N体模拟，研究了种子黑洞质量的变化对z ~ 0处黑洞质量-膨胀质量关系的影响.我们限制我们的模型，要求在z ~ 0的星系的观测属性被再现。为了与先前的半解析模型保持一致，我们在星系形成后立即放置一个种子黑洞。当种子质量为10^5太阳质量时，我们发现模型结果与最近观测到的矮星系黑洞质量-核球质量关系不一致。特别是，该模型预测，具有~ 10^9 M_sun的凸起中含有比观测到的更大的黑洞。另一方面，当我们使用10 ^3 M_sun的种子黑洞，或者在10^（3-5）M_sun范围内随机选择它们的质量时，得到的关系与观测估计一致，包括观测到的色散。我们发现，为了获得种子黑洞的质量更强的约束，在z ~ 0的质量较小的凸起的观测是一个更强大的比较比在更高的红移的关系。
2016-06-22 astro-ph.GA
Intermediate Mass Black Hole Seeds from Cosmic String Loops
我们证明，宇宙弦环可能提供一个联合决议的两个谜团周围最近观察到的黑洞。在适当的弦张力范围内，大半径弦环有可能提供早期宇宙中的非线性，从而孕育出超大质量黑洞。更多的较小半径的弦环可以产生中等质量的黑洞，包括那些质量在65到135太阳质量之间的黑洞，标准的黑洞形成场景预测没有黑洞能够形成，但最近被LIGO/VIRGO合作发现。我们发现每个星系中可能有多达$10^6$的中等质量黑洞，这为引力波观测站提供了一个诱人的目标。
2021-03-25 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
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
The Effect of Primordial Non-Gaussianities on the Seeds of Super-Massive Black Holes
在基于高斯原始扰动的早期宇宙学标准$ΛCDM$的背景下，发展成为观测到的高红移超大质量黑洞的种子的起源可能很难解释。在这里，我们考虑修改晕质量函数通过引入偏度和峰度的原始波动。我们表明，这种原始的非高斯约束的当前观测界的非线性参数的$f_{NL}$和$g_{NL}$是不是有效的大大增加种子的数量密度，可以发展成超大质量黑洞在高红移。这与宇宙弦环在孕育超大质量黑洞中所扮演的角色形成对比。
2015-08-05 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Rapid Dark Growth of Seed Black Holes in Self-Interacting Dark Matter
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院高能物理研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
本研究提出自相互作用暗物质通过气体流入驱动晕收缩，使种子黑洞在不到1百万年内快速增质数个数量级，为早期宇宙大质量黑洞起源提供高效途径。
2026-09-18 astro-ph.GA
Observational Signatures of High-Redshift Quasars and Local Relics of Black Hole Seeds
大质量黑洞（BH）的诞生和早期演化的观测约束来自两个极端的制度。在高红移时，类星体发出了十亿太阳质量黑洞快速增长的信号，并表明这些物体开始以超过爱丁顿极限的速度非常重和/或吸积质量。在低红移时，已知最小的核黑洞是在矮星系中发现的，并为黑洞种子的质量提供了最具体的限制。在这里，我们回顾了目前在这些领域的观测工作，这些工作对于我们理解宇宙中大质量黑洞的起源至关重要。
2016-10-12 astro-ph.GA astro-ph.HE
MESA-QUEST: Tracing the formation of direct collapse black hole seeds via quasi-stars
Yale University（耶鲁大学）；Illinois State University（伊利诺伊州立大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
MESA-QUEST通过建模准星体探索直接坍缩黑洞种子的形成机制，发现饱和对流可使黑洞质量占比达0.55M_*，但强辐射风可能抑制其生长。
2026-01-09 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Massive Black Hole Seeds
本文系统梳理大质量黑洞轻、重种子的形成途径，指出种子质量谱更可能为连续谱，并定量论证重种子虽罕见但其丰度足以解释大部分大质量黑洞种群。
2024-09-02 astro-ph.CO astro-ph.GA
The impact of black hole seeding in cosmological simulations
大多数星系演化的宇宙学模拟都包含了活动星系核（AGN）的反馈，当暗物质晕超过给定的阈值质量时，通常会产生质量为$\geq 10^5\, h^{-1}\, \rm{M}_{\odot}$的黑洞。Taylor & Kobayashi（2014）介绍了一个新的模型，该模型仅基于气体性质在$10^3\, h^{-1}\, \rm{M}_{\odot}$上播种黑洞，并受到宇宙中质量最大的第一颗恒星坍缩导致的黑洞形成通道的激励。我们比较了不同播种方法下暗物质晕质量为$10^{10}\, h^{-1}\, \rm{M}_{\odot}$时的黑洞质量。我们发现，播种气体性质的基础上给出了一个分布的黑洞质量与$\langle \log M_{\rm{BH}} {/ \rm{M}_{\odot}} \rangle = (5.18 \pm 0.54)$时，暗物质晕质量是$10^{10}\, h^{-1}\, \rm{M}_{\odot}$，与其他模拟中使用的{播种标准}。然而，个别星系的演化可能会受到不同播种机制的强烈影响。我们还发现，在一个给定的晕质量的黑洞质量分布的平均值随时间的推移而演变，与较高的质量在较高的红移，指示缩小。我们的结果可以为宇宙学模拟和半解析模型中更多的物理驱动的黑洞和活动星系核反馈模型提供参考。
2018-12-20 astro-ph.GA
Constraining the high redshift formation of black hole seeds in nuclear star clusters with gas inflows
在本文中，我们探讨了黑洞种子形成的一种可能的途径，呼吁戴维斯，米勒和Bellovary谁认为的情况下，一个致密的恒星黑洞集群的动态崩溃的气体流入的模型。在这里，我们在广泛的宇宙学背景下探讨这个案例。工作假设是：（i）核星团在高红移下形成于暗物质晕中的前星系盘中，为恒星黑洞在其核心中的形成提供了合适的环境，（ii）由于生长盘中的不稳定性和/或与其他富含气体的晕合并，主要的中心气体流入这些星团，以及（iii）流入之后，由于势阱变陡，核心中的恒星黑洞避免了抛射，导致核心坍缩并形成$<~ 1000\, \rm M_\odot$的大质量种子。我们模拟了一个追踪暗物质晕和其中嵌入的重子的建立的宇宙学盒子，并用半解析模型探讨了星系团的演化。我们表明，这条路线是可行的，峰值在红移$z <~ 10$，并发生在伴随着形成的种子从其他渠道。该通道是竞争相对于其他的，是独立的母集群的金属含量。这种气体驱动核心坍缩的机制需要质量至少是母星团质量十倍的流入，发生的时间尺度要短于恒星黑洞从核心蒸发/喷出的时间。在这方面，结果提供了该过程的频率上限。
2014-06-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
Accelerating massive galaxy formation with primordial black hole seed nuclei
Swinburne University（斯威本大学）；ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics（暗物质粒子物理卓越中心）
研究提出原初黑洞种子核能加速大规模星系形成，通过缩短组装时间并产生低表面亮度星系。
2026-03-05 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
Super-Eddington Growth Ceiling: Analytic Constraints on the Rapid Growth of Light-Seed Black Holes in Massive Clumps
Astronomical Institute, Graduate School of Science, Tohoku University（东北大学理学研究科天文学研究所）
该研究通过解析分析和模拟，探讨了轻种子黑洞在大质量团块中通过超埃德蒙顿期快速增长的可行性，发现其增长受限于密度和温度条件，并指出超大质量种子的形成可能需要其他途径。
2025-06-24 astro-ph.GA
The properties of primordially-seeded black holes and their hosts in the first billion years: implications for JWST
David A. Dunlap Department of Astronomy and Astrophysics, University of Toronto（多伦多大学戴维·A·邓普尔天文与天体物理系）；Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge（剑桥大学卡弗里宇宙学研究所）；Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室）；Department of Physics and Astronomy, University College London（伦敦大学学院物理与天文学系）
该研究通过原初黑洞种子模型解释JWST观测到的早期高质量黑洞和高黑洞-恒星质量比现象，揭示了PBH种子在宇宙早期演化中的关键作用。
2025-11-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
Heavy Seed Black Hole Growth in Metal-Enriched Halos through Disk-Induced Stellar Disruptions: A Semi-Analytical Modelling
Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）；Universität Heidelberg（海德堡大学）；Tsinghua University（清华大学）
本研究通过半解析模型，发现金属增丰晕中盘诱导的星族I/II潮汐瓦解事件可主导重种子黑洞早期增长，使质量在0.1 Gyr内从约1e4太阳质量增至约1e5太阳质量，缓解高红移黑洞候选体的质量张力。
2026-09-14 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
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
Seeding Black Holes in Cosmological Simulations
我们提出了一个新的宇宙学模拟中的黑洞的形成模型，第一个恒星形成的动机。黑洞形成于原始气体的高密度峰，并通过气体吸积和合并而成长。巨大的黑洞加热周围的物质，抑制星系中心的恒星形成，并驱动星系风。我们进行调查的模型参数的物理效应，并获得一个“最好的”这些参数通过比较模拟结果的观察。利用这个最佳集合，我们成功地再现了宇宙恒星的形成率历史、黑洞的质量-速度色散关系以及星系的大小-速度色散关系。黑洞的种子质量是10^3兆太阳，比以前的活动星系核宇宙学模拟中使用的小了几个数量级，但表明种子黑洞的起源是第三星族恒星的死亡。
2014-05-16 astro-ph.GA
Observational Signatures of Massive Black Hole Progenitor Pathways: Could Leo I a Smoking Gun?
从最大质量的星系团到矮星系，关于大质量黑洞（MBH）人口统计的观测证据越来越多。然而，这些中央MBH形成的祖细胞途径仍不清楚。在这里，我们报告了一个潜在的强大的观测签名MBH形成的矮星系。我们认为，在（化石）矮星系的MBH的质谱连续将是一个沉重的种子形成途径的独特签名。在这种情况下，连续体将由通常的恒星质量黑洞人口组成，通过恒星演化形成，加上尚未下沉到星系中心的较少量的重种子MBH。在母体气体云的初始碎片导致大量种子产生的强烈假设下，这些种子中的很大一部分将作为质量小于中心物体的非核MBH存活到今天。最近发现的MBH在相对较低的中心密度狮子座I星系的动机，我们表明，这样的连续性MBH种子质量应该坚持从最轻的黑洞质量的中央MBH的质量相比，光播种的情况下，没有这样的连续性应该存在。检测到偏离中心的MBH和中心MBH将代表重接种途径的强有力证据。
2022-12-15 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
The early growth of supermassive black holes in cosmological hydrodynamic simulations with constrained Gaussian realizations
在宇宙学流体动力学模拟中，采用不同的黑洞播种方案研究了超大质量黑洞的早期生长。采用约束高斯实现，我们重建的初始条件，在大容量的BlueTides模拟和运行它们的$z=6$交叉验证，该方法再现的第一类类星体及其环境。我们的约束模拟在体积的$(15\, h^{-1}{\rm Mpc})^3$成功地恢复大尺度结构的演变和恒星和BH质量附近的$\sim10^{12}\, M_{\odot}$晕，我们确定在蓝潮在$z\sim7$托管$\sim10^9\, M_{\odot}$ SMBH。在我们的约束模拟中，只有在初始条件下具有低潮场和高密度峰的模拟才能诱导解释$z>6$类星体所需的最快BH增长。我们用不同BH种子质量的$5\times10^3$、$5\times10^4$和$5\times10^5\, h^{-1}M_{\odot}$运行两组模拟，（a）具有相同的晕圈与BH种子质量的比率，以及（b）具有相同的晕圈阈值质量。在$z=6$，所有SMBH在质量上收敛到$\sim10^9\, M_{\odot}$，除了（b）中具有最小种子的SMBH经历临界BH生长并达到$10^8$ - $10^9\, M_{\odot}$，尽管（b）中的大部分生长与组（a）相比延迟。在小种子方案中发现了8个BH合并（4个在$z>12$处有质量为$10^4$- $10^6\, M_{\odot}$），在中等种子方案中…
2020-05-27 astro-ph.GA
Sowing black hole seeds: Direct collapse black hole formation with realistic Lyman-Werner radiation in cosmological simulations
我们从直接坍缩过程研究了超大质量黑洞的诞生，并描述了这些黑洞种子形成的位置。在再电离前的时期，分子氢（H $_2$）是一种有效的冷却剂，导致气体分裂并形成第三族恒星，但莱曼-沃纳辐射可以抑制H $_2$的形成，并允许气体直接坍缩成大质量黑洞。抑制H $_2$形成所需的临界通量，$J_{\rm crit}$，是激烈争论的，主要是由于在源辐射光谱，H $_2$自屏蔽，碰撞解离率的不确定性。在这里，我们测试的权力，在一个自洽的，随时间变化的，非均匀的莱曼-沃纳辐射场的直接崩溃模型-第一次这样做的宇宙体积-使用更新版本的SPH+ N-体树代码汽油与H $_2$非平衡丰度跟踪，H $_2$冷却，和现代SPH实现。我们改变$J_{\rm crit} $从$30$到$10^3$的单位为$J_{21}$，以研究这个参数如何影响种子黑洞的数量和宿主星系的类型。我们专注于黑洞的形成作为一个功能的环境，晕质量，金属丰度，并接近莱曼-沃纳源。巨大的黑洞种子在$J_{\rm crit}$阈值较低的情况下形成得更丰富，但不管$J_{\rm crit}$如何，这些种子通常形成于最近开始恒星形成的晕中。我们的结果并没有证实所提出的原子冷却晕对情景;相反，黑洞种子主要形成在低金属丰度的晕袋中，而这些晕袋已经承载了恒星的形成。
2018-06-11 astro-ph.GA
Forming massive seed black holes in high-redshift quasar host progenitors
当宇宙年龄小于1 Gyr时，质量为$10^9\rm\, M_\odot$量级的大质量黑洞（BH）的存在为明亮的类星体提供了动力，这对它们的形成机制构成了强有力的限制。到目前为止，已经提出了几种方案来解释大规模BH的形成，从第一代恒星的低质量种子BH残留物到大质量气体云快速坍缩产生的大质量种子BH。然而，其中一些场景发生在高Z类星体的祖先内的可能性尚未得到彻底的探索。在这项工作中，我们调查，通过结合暗物质只有N体模拟与半解析框架，是否形成大规模的种子黑洞从同步的原子冷却晕对和/或动态加热的迷你晕的条件得到满足，在过密的地区，一个典型的高红移类星体主机的祖先的形式和演变。我们的分析表明，在这样的地区，即强大的晕集群和高恒星形成率的特殊条件，是至关重要的，以产生一个不可忽略的大量种子BH主机候选人：我们发现$\approx1400$动态加热的无金属的迷你晕，其中包括一个演变成一个同步对，并最终在大规模的类星体主机晕由$z=6$。这表明，高红移类星体宿主晕的祖先可以窝藏早期的大质量种子黑洞。我们的研究结果进一步表明，多个大质量的种子黑洞可能形成在类星体宿主的祖先或附近，可能在较低的红移合并，并产生引力波事件。
2022-01-04 astro-ph.CO astro-ph.GA
Primordial black holes as supermassive black holes seeds
本文提出基于原初黑洞的机制，在早期宇宙中通过气体动力学摩擦和双星并合形成超大质量黑洞种子，解释了高红移类星体与GNz11等观测。
2024-11-05 astro-ph.CO astro-ph.GA
MAGICS III. Seeds sink swiftly: nuclear star clusters dramatically accelerate seed black hole mergers
本研究通过结合宇宙学模拟与高分辨率N体模拟，揭示核星团通过潮汐相互作用显著加速大质量黑洞种子向星系中心下沉，使并合率在z=4处比非核星团环境高300–600倍，成为高红移种子黑洞并合的主导渠道。
2024-10-03 astro-ph.GA astro-ph.HE
Representing low mass black hole seeds in cosmological simulations: A new sub-grid stochastic seed model
针对宇宙学模拟难以分辨低质量黑洞种子的问题，本文利用高分辨率放大模拟校准并提出亚网格随机播种模型，仅依据星系质量、红移和环境丰富度即可再现气体物理播种结果。
2023-09-27 astro-ph.GA
Exploring a primordial solution for early black holes detected with the JWST
针对JWST发现的高红移大质量早期黑洞及其高黑洞-恒星质量比难题，该研究结合解析计算，探究了天体物理种子吸积与原初黑洞种子两种路径，验证了PBH驱动结构形成可解释相关观测结果。
2024-10-03 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
Rapid growth of seed black holes during early bulge formation
我们研究了大质量种子黑洞（BH）的早期增长通过吸积在原星系核的恒星核球组件组装，进行轴对称二维辐射流体动力学模拟。我们发现，当一个种子BH与$M_\bullet \sim 10^5~M_\odot$是嵌入在致密的贫金属气体（$Z=0.01~Z_\odot$）与密度的$\gtrsim 100~{\rm cm}^{-3}$和膨胀的恒星与$M_\star \gtrsim 100~M_\bullet$的总质量，一个巨大的气体盘饲料的BH有效的速率为$\gtrsim 0.3-1~M_\odot~{\rm yr}^{-1}$和BH质量增加近十倍的$\sim 2$ Myr。这种快速吸积阶段持续到一个很好的分数的气体内的凸起吸积到BH上，虽然喂养率是受管制的，由于强大的外流驱动的电离辐射发射的吸积BH。瞬态增长模式可以触发种子黑洞形成在大量的暗物质晕与质量的$\gtrsim 10^9~M_\odot$在$z\sim 15-20$（维里温度为$T_{\rm vir}\simeq 10^5~{\rm K}$）。宿主晕比典型的第一星系更重，更稀有，但更有可能最终成为$z\simeq 6$的类星体宿主。这种机制自然会产生一个质量比$M_\bullet/M_\star >0.01$高于本地宇宙中看到的值，这种超大质量黑洞的存在为我们提供了一个独特的机会，通过詹姆斯韦伯太空望远镜和南希格雷斯罗马太空望远镜即将…
2022-01-20 astro-ph.GA astro-ph.HE
The formation of supermassive black holes from Population III.1 seeds. III. Galaxy evolution and black hole growth from semi-analytic modelling
本文在星系形成半解析模型中实现星族III.1超大质量黑洞种子机制，通过对比不同隔离距离和种子模型，发现局域星系与黑洞质量函数等观测约束要求隔离距离小于75 kpc。
2025-07-18 astro-ph.GA
Rapid growth of seed black holes in the early universe by supra-exponential accretion
黑洞（BH）的质量吸积通常以爱丁顿速率为上限，此时辐射的推力与引力的拉力相平衡。然而，即使在爱丁顿限制的e折叠时间t_E ~几× 0.01亿年的指数增长，也太慢了，无法将恒星质量的BH种子生长成超大质量的发光类星体，当宇宙年龄为10亿年时观察到。我们提出了一个动力学机制，可以触发超指数吸积在早期宇宙中，当一个BH种子被困在一个星团由无处不在的密集冷气流。高的气体不透明度捕获了吸积辐射，而低质量黑洞的随机运动抑制了缓慢排放的吸积盘的形成。因此，超指数增长可以解释为什么大爆炸后很快就出现了超大质量黑洞，为发光类星体提供动力。
2014-10-05 astro-ph.GA
The erratic dynamical life of black hole seeds in high-redshift galaxies
高红移星系中黑洞种子的动力学是理解它们通过吸积生长和在星系合并过程中在密近双星中配对的能力的关键。为了正确地遵循黑洞的动力学，我们开发了一个物理动机的模型，以捕获恒星，暗物质和气体未解决的动力学摩擦。我们首先验证了模型，然后我们用它来调查在矮原星系$z\sim9$出生的种子黑洞的动力学。我们进行了一套变焦宇宙学模拟的空间分辨率高达10 pc，恒星和暗物质的质量分辨率分别为$2\times10^3 \, \textrm{M}_\odot$和$2\times10^5 \, \textrm{M}_\odot$。我们首先探讨了一个种子黑洞在它出生的星系的动力学，并表明，它是非常不稳定的，如果种子质量小于$10^5\, \textrm{M}_\odot$。动力学是由恒星组成，其分布是不规则的和斑块状的，从而导致轨道的随机性：黑洞可能在原星系的任何地方。当这颗矮星合并成一个更大的星系时，为了正确地解释卫星黑洞的恒星外壳剥离，以非常高的空间和质量分辨率来模拟这一过程是至关重要的。相遇的结果可能是一个紧密的双星，或者至少是暂时的，一个游荡的黑洞，导致一个星系中的多个黑洞，每个黑洞都继承自不同的合并。
2019-05-24 astro-ph.GA
Blossoms from black hole seeds: properties and early growth regulated by supernova feedback
大质量黑洞（BH）存在于本地星系中，包括银河系和一些矮星系。黑洞的形成发生在宇宙早期，必须解释今天星系中黑洞的性质，特别是为什么有些星系拥有黑洞，而另一些星系没有。我们调查的形成，分布和生长的BH“种子”使用自适应网格加密代码Ramses。我们开发了一个实现BH形成在密集，低金属含量的环境中，所倡导的模型调用的第一代恒星的崩溃，或致密的核星团。种子质量是根据恒星形成速率和恒星初始质量函数逐个计算的。这种自洽的方法种子黑洞使我们能够研究黑洞在宇宙学背景下的分布及其随宇宙时间的演化。我们发现，所有高质量的星系往往是一个主机的BH，而低质量的同行有一个较低的概率托管BH。在BH形成时代结束后，这种概率受到星系生长的调制。模拟的黑洞连接到低红移观测样本，并跨越了类似的范围内的吸积性质的莱曼-破裂类似物。低质量星系中黑洞的生长受到强烈的超新星反馈的阻碍。因此，矮星系中黑洞的性质仍然是黑洞形成的实验平台。模拟与强大的超新星反馈，这是能够淬火BH吸积浅势阱，产生星系和BH更好地符合观测约束。
2017-07-26 astro-ph.GA
Dust Attenuation of Lyman-Werner Feedback: Reassessing Early Super Massive Black Holes Seed Formation
本文通过定制半解析模型引入尘埃屏蔽方案，发现适度尘埃增丰可削弱LW辐射场以保留H₂冷却，拓展了高红移超大质量黑洞重种子的形成范围，改变了不同种子种群的相对重要性。
2025-11-19 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
The role of gravitational recoil in the assembly of massive black hole seeds
当两个黑洞合并时，引力波的不对称发射为合并的系统提供了一个脉冲;这个引力波反冲速度可以达到4000 km/s $^{-1}$，足以让黑洞逃离它的宿主星系。我们结合半解析建模与宇宙学放大模拟的银河系型星系调查的作用，黑洞自旋和引力反冲的时代的大规模黑洞播种。我们采样四种不同的自旋分布（随机，对齐，反对齐，零自旋），并比较由此产生的合并率，占用分数，MBH主机的关系与预期的不包括反冲的影响。在MBH籽晶的组装中包括重力反冲和MBH自旋可以将最终的$z=5$ MBH质量降低高达一个数量级。然而，由于反冲事件后黑洞形成的插曲，MBH占据分数保持有效不变。虽然不太可能对这些事件进行电磁探测，但LISA非常适合探测来自此类事件的引力波信号。
2020-02-12 astro-ph.GA
Super-Eddington Accretion and Feedback from the First Massive Seed Black Holes
超级爱丁顿吸积到大质量黑洞种子上可能在早期宇宙中很常见，那里存在快速吸积的条件。直接坍缩黑洞常被认为是再电离前宇宙中超大质量黑洞观测的一种可能的解决方案。我们在这里调查如何反馈，主要是双极射流的形式，从超级爱丁顿吸积种子黑洞将影响其随后的增长。我们发现，几乎独立的双极射流的质量负载，由射流产生的暴力外流疏散周围的黑洞种子约0.1 pc的区域。然而，喷流无法摆脱晕，它们的影响仅限于黑洞附近。外流抑制任何吸积约一个动态的时间。然后气体冷却，重新组合并回落到中心，在那里再次观察到高吸积率。总体效果是产生有效的吸积率，其值在爱丁顿率的0.1至0.5倍之间。如果这种偶然的吸积率保持5亿年，那么黑洞的质量将增加3到300倍，但远远低于在$z>6$观测到的种子变成SMBH所需的$10^4$倍。因此，直接坍缩的黑洞诞生于原子冷却晕，并经历强烈的负机械反馈，需要外部影响（例如与其他晕的快速大合并）来促进有效的吸积，并在数亿年内达到SMBH质量。
2019-04-11 astro-ph.GA
Off-center black hole seed formation? Implications for high and low redshift massive black holes
INFN, Sezione di Milano-Bicocca（意大利国家核物理研究所米兰比可卡分部）；University of Insubria（因苏布里亚大学）；Sorbonne Université（索邦大学）；INAF - Osservatorio Astronomico di Cagliari（意大利国家天体物理研究所卡利亚里天文台）；Donostia International Physics Centre (DIPC)（圣塞巴斯蒂安国际物理中心）；IKERBASQUE, Basque Foundation for Science（伊克巴斯基克，巴斯克科学基金会）
研究探讨了偏离中心的黑洞种子形成对大质量黑洞和二元体种群演化的影响，发现高红移下MBH种群和类星体光度函数显著减少，但低红移时差异减弱。
2025-09-15 astro-ph.GA
