Introducing the BRAHMA simulation suite: Signatures of low mass black hole seeding models in cosmological simulations
BRAHMA模拟套件通过新颖播种方案在宇宙学模拟中解析低质量黑洞种子，预测了高红移黑洞的可观测特征，并表明LISA任务有望约束种子模型。
2024-02-06 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
Protostellar accretion in low mass metal poor stars and the cosmological lithium problem
宇宙学锂问题，即大爆炸核合成预测的锂丰度与观测到的“斯皮特高原”恒星之间的差异，是现代天体物理学长期存在的问题之一。最近的线索，一个可能的解决方案涉及锂燃烧引起的原恒星质量吸积的Spite高原恒星。本文的目的是分析原恒星吸积对低金属丰度低质量恒星的影响，重点是PMS锂的演化。我们计算了从原恒星到MS阶段的演化，最终质量为0.7和0.8 M $_\odot$，三种金属丰度Z=0.0001，Z=0.0010和Z=0.0050的吸积模型。详细研究了影响吸积模型的主要参数，即吸积能量（冷吸积和热吸积）、初始种子质量$M_{seed}$和半径$R_{seed}$以及质量吸积率$\dot{m}$的变化对吸积模型的影响。对于恒星的主要性质和表面$^7 Li$丰度，无论$M_{seed}$、$R_{seed}$和$\dot{m}$的实际值如何，热吸积模型在100万年内都收敛到标准的非吸积模型。此外，具有相对大的$M_{seed}$（$\gtrsim 10~M_{jup}$）或$R_{seed}$（$\gtrsim 1~R_\odot$）的冷吸积模型在小于约10-20~Myr时收敛到标准的非吸积模型。当一个冷的原恒星吸积过程从小的$M_{seed}$和$R_{seed}$值（$M_{seed}\sim 1~M_{jup}$，$R_{seed} \lesssim 1~R_\odot$）开始时，会发生一…
2020-04-30 astro-ph.GA astro-ph.SR
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
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
Growth of high redshift supermassive black holes from heavy seeds in the BRAHMA cosmological simulations: Implications of overmassive black holes
本研究利用BRAHMA宇宙学模拟探究高红移超重黑洞的增长机制，发现重种子模型需放宽条件并缩短黑洞并合延迟才能匹配观测结果，为早期黑洞形成提供了约束。
2024-06-20 astro-ph.GA
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
Direct Collapse to Supermassive Black Hole Seeds with Radiation Transfer: Cosmological Halos
我们已经模拟了直接坍缩的原始气体在暗物质晕中存在的辐射转移，在高分辨率放大模拟的宇宙学框架，到光球和中央对象的形成。辐射转移已在通量限制扩散（FLD）近似下实现。运行绝热模型以进行比较。我们发现：（a）FLD流形成不规则的中心结构，不表现出碎裂，与绝热流形成厚盘相反，驱动一对螺旋激波，受Kelvin-Helmholtz剪切不稳定性的影响，形成碎片;（b）在FLD流中，不断增长的中心核迅速达到~10 Mo，光度变化很大，为10 ^{38}-10 ^{39} erg/s，与爱丁顿光度相当。它经历了由辐射力和热压力梯度驱动的大量周期性外流，与吸积流混合并向外转移角动量;（c）这些过程和大量吸积之间的相互作用，导致光球在~10 AU。我们得出结论：在FLD模型中，中心天体（1）在动力学上表现出不显著的自转，其温度随密度的变化慢于绝热温度，（2）不经历导致恒星形成的碎裂，从而促进了超大质量黑洞（SMBH）种子的快速轨道形成;（3）辐射力的引入导致外流，导致中心10 ^{-3} pc内的质量积累，这是恒星形成特征尺度的~100倍。包含辐射转移揭示了复杂的早期阶段的形成和生长的中央结构中的直接崩溃的情况下，SMBH种子形成。
2018-06-20 astro-ph.GA
Signatures of black hole seeding in the local Universe: Predictions from the BRAHMA cosmological simulations
本文通过BRAHMA宇宙学模拟研究本地宇宙中黑洞种子的特征，发现矮星系中~10^5-10^6 M⊙黑洞保留种子印记，不同模型预测其丰度和占据率差异显著，为黑洞种子模型提供了探测方向。
2024-11-28 astro-ph.GA
Chasing the observational signatures of seed black holes at z > 7: candidate observability
观测第一个吸积黑洞（BH）发出的光将大大提高我们对z > 6的类星体形成的理解，可能揭示它们的超大质量黑洞（SMBH）种子的性质。在以前的工作中，我们探讨了两个主要的竞争BH种子形成渠道，人口III残留物（低质量的种子）和直接崩溃BH（高质量的种子）的相对作用，在宇宙学背景下调查其宿主星系的属性。在此基础上，我们预测了在z~6 SMBH的祖先中选择的低质量和高质量BH种子的光谱能量分布和观测特征。我们利用光电离程序Cloudy计算了吸积黑洞和恒星的辐射，并考虑了宇宙学数据约束模型GAMETE/QSOdust预测的主星系星际介质中金属丰度和尘埃-气体质量比的演化。我们展示了未来的任务，如JWST和ATHENA将能够检测到来自SMBH祖细胞的光已经在z~16。我们建立在以前的补充研究，并提出了一种方法的基础上，近红外（NIR）的颜色，红外过量（IRX）和紫外线连续斜率（即颜色-颜色和IRX-Beta图）的综合分析，以区分生长的种子BH宿主星系从星暴占主导地位的系统在JWST调查。通过这一标准选择的源将是后续X射线观测的最佳目标。
2018-01-24 astro-ph.GA
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
Predicting Supermassive Black Hole-Host Mass Offsets from Broadband Photometry Across Cosmological Simulations with Forecasts for LSST
Independent Researcher
本文通过训练集成机器学习分类器，利用LSST光谱带预测区分超大质量黑洞生长模式，验证了光度学排序在不同子网格反馈模型下的稳定性。
2026-09-25 astro-ph.GA astro-ph.IM
Sequential formation of supermassive stars and heavy seed BHs through the interplay of cosmological cold accretion and stellar radiative feedback
本文通过宇宙学辐射流体模拟发现，原子冷却晕中的冷吸积可在约3 Myr内维持高质量吸积率，依次形成多个超过十万倍太阳质量的超大质量星，为早期宇宙重种子黑洞和致密星团提供形成机制。
2024-10-18 astro-ph.GA
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
MAGICS I. The First Few Orbits Encode the Fate of Seed Massive Black Hole Pairs
本研究引入MAGICS模拟套件，通过提升分辨率追踪星系并合中种子大质量黑洞对的轨道动力学，发现黑洞对的早期轨道演化与能量损失机制决定了其最终是快速下沉合并还是停滞。
2024-04-25 astro-ph.GA
Direct Collapse to Supermassive Black Hole Seeds: Comparing the AMR and SPH Approaches
我们提供了详细的AMR代码恩佐-2.4和SPH/N体代码GADGET-3的背景下，孤立的或宇宙学的直接重子坍缩在暗物质（DM）晕形成超大质量黑洞。通过遵循吸积流基本参数的演变来检查气体流动。这两个代码显示了整体协议的崩溃的一般特征，但是，存在许多微妙的差异。对于孤立的模型，代码以不同的速度增加其空间和质量分辨率，这导致在SPH比AMR情况下，由于GADGET-3更高的引力分辨率，大大提前崩溃。在宇宙学运行中，AMR在通过合并渗透的冷吸积的晕生长期间开发出比SPH稍高的重子分辨率。尽管如此，这两个代码同意在DM和重子结构的建设。然而，随着坍缩的开始，这种质量和空间分辨率的差异被放大，因此SPH模型的演变开始滞后。这样的延迟可以对由于UV背景的H2的形成/破坏速率以及宿主晕的基本性质产生影响。最后，在自旋参数λ ~ 0.01 - 0.07的自旋晕中，孤立的非宇宙学模型显示出更大λ的延迟坍缩，但AMR的这种增长速度更快。在我们的模拟设置中，GADGET-3在坍缩期间需要比恩佐-2.4大得多的计算资源，并且在坍缩前宇宙结构形成阶段需要类似的资源。然而，它受益于更高的引力和流体动力学分辨率，除了在坍缩结束时。
2016-03-29 astro-ph.GA
$γ$-Cascade: A Simple Program to Compute Cosmological Gamma-Ray Propagation
伽马射线传输过程中的电磁级联模型在天体物理学的许多应用中非常重要。本文介绍了$γ$ -Cascade，这是一个公开可用的Mathematica软件包，允许用户计算观测到的来自点源以及源分布的伽马射线通量。$γ$ -Cascade半解析计算伽马射线传输过程中电磁相互作用的影响。
2019-01-24 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Building Semi-Analytic Black Hole Seeding Models Using IllustrisTNG Host Galaxies
本文结合 IllustrisTNG 模拟与半解析建模，通过气体质量、宿主质量和金属丰度等判据构建黑洞种子模型，发现低质量黑洞在高红移占主导且其并合是 LISA 的重要目标，同时强调了对高红移黑洞加强观测约束的必要性。
2023-09-20 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
Chasing the observational signatures of seed black holes at z > 7: candidate statistics
10^9-10^10兆太阳质量的超大质量黑洞（SMBH）在大约13 Gyr前就已经存在了，z>6。低质量BH种子（~100 Msun）的超爱丁顿生长或~10^5 Msun种子的不太极端的吸积最近被认为是这些SMBH的主要可行途径。在这里，我们研究这些SMBH祖细胞在z~6的统计。低质量和高质量的种子和它们的宿主星系的生长一直使用宇宙学数据约束模型GAMETE/QSOdust，它再现了高z类星体，如SDSS J1148+5251的观测特性。我们发现，这两个种子形成通道可以在类似的红移范围内（15 < z < 18）起作用，并且可以在质量相当的暗物质晕中发现，质量约为5 × 10^7 Msun。然而，只要系统孤立地演化（即没有合并发生），它们的性质就会出现明显的差异：在z>= 10的星系中，拥有高质量种子的星系具有较小的恒星质量和金属丰度，BH以更高的速率吸积气体，恒星形成的效率低于低质量种子宿主。当z<10时，这些差异逐渐消失，因为系统经历了小的或大的合并，并且BH起源的每一个痕迹都丢失了。
2017-11-28 astro-ph.GA
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
Primordial black holes in cosmological simulations: growth prospects for supermassive black holes
本文首次在宇宙学模拟中纳入原初黑洞，发现当原初黑洞与暗物质质量比为10^-3时，1000倍太阳质量的原初黑洞可在z=20增长至10^4-10^5倍太阳质量，成为高红移超大质量黑洞的潜在种子，并确定了有效种子形成的质量比阈值。
2025-08-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Prospects to Explore High-redshift Black Hole Formation with Multi-band Gravitational Waves Observatories
早期宇宙中大质量黑洞的聚集仍然是天体物理学中一个缺乏约束的开放性问题。轻种子（质量低于$\sim 1000M_{\odot}$的第三星族恒星的残余）或重种子（质量在$10^4-10^6 M_{\odot}$范围内）的合并和吸积都可以解释大质量黑洞的形成，但种子的丰度及其合并机制是高度不确定的。在接下来的几十年里，即将上线的引力波天文台有望观测到非常高红移的合并，从而揭示第一个黑洞的种子。在这封信中，我们探讨了LISA，宇宙探测器和爱因斯坦望远镜的潜力和局限性，以限制轻重种子的混合比，以及合并星系中中心黑洞合并的概率。由于第三代地基引力波探测器将只观察轻种子合并，我们演示了两种情况下，种子混合比和合并概率的推断可以是有限的。为了充分描述高红移黑洞形成的过程，多波段引力波观测和电磁观测的协同作用可能是必要的。
2022-02-09 astro-ph.GA gr-qc
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
