Modelling the cosmological Lyman-Werner background radiation field in the Early Universe
本文通过后处理高分辨率FiBY模拟,建立了z≥6早期宇宙的莱曼-沃纳背景辐射场精确模型,更新了关键化学反应截面并引入多种星族光谱,揭示了其强度演化和空间不均匀性,可用于调控高红移低质量暗晕中恒星与黑洞种子形成。
2023-04-11 astro-ph.CO astro-ph.GA
An analytic resolution to the competition between Lyman-Werner radiation and metal winds in direct collapse black hole hosts
一个接近恒星形成星系的原始原子冷却晕提供了一个形成大质量直接坍缩黑洞(DCBH)种子的天然途径,这些种子可能是$z>6$红移类星体的祖先。晕的紧密接近使得足够的莱曼-维尔纳通量能够有效地解离原子冷却晕的核心中的H $_2$。一个温和的背景也可能需要延迟恒星形成的原子冷却晕,往往归因于遥远的背景星系。在这封信中,我们调查的影响,金属富集的背景星系和密切的恒星形成星系在极其不利的条件下,如瞬时金属混合。我们发现在DCBH形成的时间窗口内,富集水平从未超过临界阈值(Z $_{cr} \sim 1 \times 10^{-5} \ \rm Z_{\odot})$),并达到最大金属丰度Z $\sim 2 \times 10^{-6} \ \rm Z_{\odot}$。随着系统的发展,金属丰度最终超过临界阈值,在DCBH形成很久之后。
2017-03-23 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
Predicting the number density of heavy seed massive black holes due to an intense Lyman-Werner field
本研究重新实现莱曼-沃纳通道模型,结合Renaissance模拟,预测高红移大质量黑洞数密度峰值约10^-4 cMpc^-3,发现该通道与JWST观测不兼容,仅能解释少数高红移活动星系核。
2025-07-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
Can supermassive stars form in protogalaxies due to internal Lyman-Werner feedback?
本研究通过流体动力学模拟,发现原子冷却晕中内部莱曼-沃纳反馈难以促进超大质量恒星形成,因其势阱过浅无法有效加热气体并提高吸积率。
2025-01-22 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Direct Collapse of a Massive Black Hole Seed Under the Influence of an Anisotropic Lyman-Werner Source
超大质量黑洞种子形成的直接坍缩模型为现在在$z \gtrsim 6$常规观测到的类星体的起源提供了一个有吸引力的解决方案。我们使用自适应网格加密程序Enzo模拟了高红移气体的坍缩,包括H,He和H $_2$的九种化学模型。直接坍缩模型要求气体主要通过氢原子冷却。为此,我们模拟的各向异性辐射源的高红移晕的崩溃的效果。辐射源放置在距离塌陷物体3 kpc(物理)的位置。光源设置为仅在$12.8 \ \rm{eV}$处的莱曼-沃纳(LW)带中心单色发射。利用射线追踪技术自洽地跟踪了高红移源发出的长波辐射。我们发现,由于自屏蔽,少量的H $_2$是能够形成在非常中心的坍缩晕,即使在非常强的LW辐射。此外,我们发现,需要一个辐射源,每秒发射$> 10^{54}\ (\sim10^3\ \rm{J_{21}})$光子,以引起$\rm{M \sim 10^5}$ M $_{\odot}$团的崩溃。坍缩天体的吸积率为$\sim 0.25$ M $_{\odot}$ $\rm{yr^{-1}}$。我们的结果显示显着的差异,相比各向同性辐射场的情况下,在H $_2$分数在等效半径。这些差异将显著影响崩溃的动力学。在强各向异性辐射源的作用下,坍缩物体的最终质量为$\rm{M \sim 10^5}$ M $_{\odot}$ .这与超大质量恒星或准恒星形成超大质量黑洞的预测是一致的。
2014-09-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
From dark matter halos to pre-stellar cores: High resolution follow-up of cosmological Lyman-Werner simulations
氢分子使原始气体冷却,促进其坍缩成原始晕内的第三星族恒星。来自这些恒星的莱曼-维尔纳(LW)辐射可以逃离晕,并通过破坏其他晕中的H $_2$来延迟恒星的形成。由于宇宙学模拟表明,增加背景LW场强度增加了恒星形成所需的平均晕质量,我们对选定的晕进行了后续模拟,以研究这对人口III IMF的连锁效应。我们遵循5晕的$J_{21}$ = 0,0.01和0.1 LW的场强,解决前恒星的核心密度$10^{-6}$ g cm $^{-3}$(10 $^{18}$ cm $^{-3}$)之前,插入汇粒子和以下的碎裂行为数百年进一步。我们发现,吸积到水槽的模拟结束时的质量是成比例的质量内的$\sim 10^{-2}$ pc分子的核心,这是不相关的初始质量的晕。因此,对于质量超过褐矮星极限的IMF显示出对LW强度的依赖性很小,尽管它们确实显示出形成的低质量团块数量的变化。由于这里测试的背景LW场强范围涵盖了文献中最有可能的值,我们得出结论,所谓的Pop III.2恒星的IMF与Pop III.1恒星的初始种群没有显着差异。因此,原始的IMF很可能在下一代星族II恒星形成之前保持不变。
2023-01-19 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
The Collapse of Atomically-Cooled Primordial Haloes. I. High Lyman-Werner Backgrounds
本研究通过数值模拟追踪原子冷却原初暗晕的重子坍缩过程至足以形成直接坍缩黑洞的时长,发现吸积盘碎裂普遍存在,多形成双星或多超大质量恒星系统,且原初宇宙中多直接坍缩黑洞形成是普遍现象。
2023-04-13 astro-ph.GA
LYRA ultra-faints: The emergence of faint dwarf galaxies in the presence of an early Lyman-Werner background
LYRA模型研究早期里曼-韦纳背景对矮星系形成的影响,发现LWB强度影响星系质量-晕质量关系,较弱LWB导致平缓关系,较强LWB在特定质量处出现转折。
2025-11-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
Lyman-Werner Escape Fractions from the First Galaxies
直接坍缩黑洞在$z \approx 10-20$的原始原子冷却晕中形成,可能是高红移超大质量黑洞(BH)的种子。为了创造一个巨大的BH种子,需要防止宿主晕形成恒星。因此,为了抑制H $_2$冷却,需要用大通量的莱曼-沃纳(LW)UV光子照射H $_2$。在这种情况下,一个关键的不确定性是逃逸部分的LW辐射从第一个星系,在这个时代的紫外光子的主要来源。为了更好地约束这种逃逸分数,我们已经进行了辐射流体动力学模拟的HII区域的增长和其相关的光解区域在第一个星系使用ZEUS-MP代码。我们发现,LW逃逸分数的关键取决于电离前沿(I-前)的传播。对于越过晕的R型I型波前,LW逃逸分数总是大于95%。如果晕稍后从外向内重组,由于光谱软化和减弱,在晕的静止框架(近场)中的LW逃逸分数下降到零。分析缓慢移动的D型I-波前需要进行详细而仔细的分析,其中逃逸分数取决于微观物理,可以在近场小至3%,在远场为61%,或者在近场和远场都大至100%。
2017-01-30 astro-ph.GA
A Semi-analytic Framework of Population III and Subsequent Galaxy Formation on Cosmological N-body Simulations
该研究提出一个在暗物质晕合并树上运行的半解析框架,自洽考虑莱曼-沃纳反馈和流速度,用于模拟Pop III恒星形成,预测原子冷却晕中可形成超大质量恒星,足以解释高红移类星体。
2025-10-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
Line Overlap and Self-Shielding of Molecular Hydrogen in Galaxies
莱曼和维尔纳带中的谱线重叠效应,在星系的原子到分子跃迁研究中经常被忽略,在低金属量环境中大大增强了分子氢的自屏蔽,并且在金属量低于约10%太阳能的尘埃屏蔽中占主导地位。我们实现了宇宙流体动力学模拟的经验模型,对观测数据进行校准,并提供拟合公式的分子氢分数作为气体密度的函数在不同的空间尺度上,并在不同的尘埃丰度和星际辐射场的环境。我们发现,线重叠,而重要的详细的辐射转移在莱曼和维尔纳带,只有一个小的影响,恒星形成星系尺度上,这在更大的程度上,是由恒星反馈。
2016-07-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Impact of gas spin and Lyman-Werner flux on black hole seed formation in cosmological simulations: implications for direct collapse
直接坍缩黑洞~(BH)是产生大质量$z\gtrsim 6$类星体的有希望的候选者,但它们的形成需要微调的条件。在这项工作中,我们使用宇宙学变焦模拟系统地研究了形成BH种子所需的:1)低气体角动量,2)最小入射Lyman-Werner~(LW)通量的影响。我们探测了种子的形成(具有总质量为$> 3000\times M_{\mathrm{seed}}$和致密的贫金属气体质量$> 5\times M_{\mathrm{seed}}$的晕中的$M_{\rm seed} \sim 10^4$ - $10^6 M_{\odot}/h)$的初始质量)。我们发现,种子形成晕有恒星形成和金属富集的历史,但包含致密的口袋,贫金属气体。当播种进一步限制到低气体自旋的晕,形成的种子的数量被抑制的因素相比,基线模型的$\sim6$,无论种子质量。如果要求致密的贫金属气体具有临界LW通量($J_{\mathrm{crit}}$),则晶种形成受到更强烈的影响。即使$J_{\mathrm{crit}}$值低至$50J_{21}$,也不会形成$8\times10^{5}M_{\odot}/h$种子。虽然较低质量($1.25\times10^{4},1\times10^{5} M_{\odot}/h$)种子确实形成,但与$\sim10^4~M_{\odot}/h$气体质量分辨率下的基线模型相比,它们受到强烈抑制(通…
2021-11-23 astro-ph.GA
Connecting the Dots: UV-Bright Companions of Little Red Dots as Lyman-Werner Sources Enabling Direct Collapse Black Hole Formation
Yale University(耶鲁大学);Columbia University(哥伦比亚大学);Institute of Science and Technology Austria (ISTA)(奥地利科学技术研究所)
研究发现小红点的紫外亮伴星可能通过里曼-韦纳辐射促进直接坍缩黑洞形成,揭示了早期宇宙致密天体的形成机制。
2026-05-12 astro-ph.GA
On the number density of "direct collapse" black hole seeds
数百万太阳质量以上的超大质量黑洞(BH)位于大多数本星系的中心,但它们也为活动星系核和类星体提供能量,直到z=7。这一观测证据对BH的生长和第一批BH种子的质量提出了强有力的限制。“直接坍缩”的情况非常吸引人,因为它导致了质量在10^4-10^6兆太阳的大质量黑洞种子的形成,这就很容易解释z=6-7的类星体是如何由质量大于10^9兆太阳的黑洞提供动力的。然而,直接坍缩似乎是罕见的,因为这种情况所需的条件是气体不含金属,存在强的光离解莱曼-维尔纳通量,以及在晕中心有大量气体流入,持续了10-100万年。我们进行了几个宇宙学流体动力学模拟,涵盖了大范围的盒子大小和分辨率,从而使我们能够了解几个物理过程对直接坍缩黑洞分布的影响。我们确定的直接崩溃可能发生的晕,并推导出BH的数密度。我们还调查流体动力学模拟,直接或后处理,和半分析研究之间的差异。我们发现,直接崩溃帐户BH在正常星系中,直接崩溃所需的临界莱曼-维尔纳通量必须远远低于预测的三维模拟,包括详细的化学模型。然而,当超新星反馈是相对较弱的,足够的直接崩溃BH解释z=6-7类星体,可以得到更现实的临界莱曼维尔纳通量值。
2019-12-13 astro-ph.CO astro-ph.GA
How Massive Can a Population III Starburst Be? Simulating the First Galaxies with High Lyman-Werner Background
The University of Texas at Austin(德克萨斯大学奥斯汀分校);Kyung Hee University(庆熙大学)
研究利用高里曼-韦纳背景辐射模拟早期星系,探讨III型恒星爆发的最大质量及金属丰度影响,发现高辐射下爆发受限于内部金属丰度。
2026-07-23 astro-ph.GA
Low-mass Pop III star formation due to the HD-cooling induced by weak Lyman-Werner radiation
该研究通过三维宇宙学模拟考察18种不同强度的LW辐射对原初气体云的影响,发现特定强度范围内HD冷却使温度低于200K并形成约1-16倍太阳质量的低质量核心,从而可能孕育不超过0.8倍太阳质量的低质量Pop III恒星,且恒星形成效率上限显著下降。
2023-11-17 astro-ph.GA
Effects of binary stellar populations on direct collapse black hole formation
直接坍缩黑洞(DCBH)形成所需的临界Lyman-Werner通量(J $_{crit}$)取决于辐射光谱能量分布(SED)的形状。到目前为止,使用的SED已经代表了{现实}单个恒星星族。我们研究了双星恒星星族对DCBH形成的影响,这是由于它们对Lyman-Werner辐射场的贡献。虽然年龄$>$ 10百万年的二进制人口产生较大的LW光子输出,我们发现,相应的值J $_{crit}$可以高达100倍高于单恒星星族。我们把这归因于二进制的SED的形状,因为它们产生的H $^-$ photodetaching 0.76 eV的光子相比,单恒星星族的亚临界速率,重申的作用,H $^-$在DCBH形成中发挥。这进一步证实了这样的想法,即DCBH的形成是更好地理解在H $_2$-H $^-$光-破坏率参数空间中的一个关键区域,而不是一个单一的LW通量值。
2017-04-24 astro-ph.GA
Starbursts in low-mass haloes at Cosmic Dawn. I. The critical halo mass for star formation
本文通过(半)解析方法计算了宇宙黎明时期低质量晕中恒星形成的冷却阈值质量,考虑了H2冷却、光解离、光蒸发和重子流速度等多种物理效应,计算结果与高分辨率模拟高度一致。
2023-06-18 astro-ph.CO astro-ph.GA
On the Formation of Multiple Stellar Populations in Globular Clusters
几乎所有的球状星团(GCs)研究到目前为止,显示出多个恒星星族的证据,形成鲜明对比的传统观点,GCs是一个单金属,同时代的恒星人口。在早期工作的基础上,我们提出了一个简单的物理模型的早期演变(几个10^8年)的GC。我们认为恒星的质量损失,II型和提示Ia型超新星,冲压压力,吸积从周围的ISM上的年轻GC自己的气藏的发展的影响。在我们的模型中,第一代恒星形成的II型超新星清除了其初始气体储层的GC。在接下来的几个10^8年里,AGB恒星的质量损失和周围ISM的物质吸积在GC的中心。这种物质必须保持相当冷(T~10^2K),但由于年轻GC中的高莱曼-维尔纳通量密度,在穿越时间不会发生灾难性的冷却。GC内的气体收集必须与来自环境ISM的冲压压力竞争。经过几十年的时间,莱曼-维尔纳光子通量密度下降了三个数量级以上,这使得氢分子和恒星得以形成。在第二代恒星形成之后,第二代的II型超新星和第一代的Ia型超新星保持了无气体的GC,从而结束了恒星形成事件的循环。我们的模型作出了明确的预测,存在或不存在多个恒星星族内GC质量和形成环境的函数GC。通过分析中等年龄的LMC星团,我们发现了一个质量阈值为10^4 Msun的证据,低于这个阈值的LMC星团似乎是真正的同时代星团。这个阈值质量是一致的,我们预测的质量在冲压压力是能够清除气体从集群在大麦哲伦星系在目前的时代。(简略)
2010-11-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
Chemical Signatures of Population III Stars in Damped Lyman-$α$ Absorption Systems at $z \approx 6$
University of Toledo(托莱多大学);Columbia University(哥伦比亚大学);Institute of Science and Technology Austria (ISTA)(奥地利科学技术研究所)
本文通过模拟预测 Pop III 星对高红移 DLA 的影响,发现 DLA 类比可有效探测 Pop III 星形成,关键因素包括形成效率和时间延迟。
2026-02-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Persistence of Population III Star Formation
我们提出了一个半解析模型的恒星形成在早期宇宙中,开始与第一个无金属的恒星。通过采用完全反馈限制的恒星形成处方,恒星以最大效率形成,直到自洽计算的反馈过程停止形成。我们占了一些反馈过程,包括元银河系莱曼-沃纳背景,超新星,光电离,和化学反馈。通过与我们的反馈限制恒星形成处方的丰度匹配发现的质量吸积率相结合,使各种各样的人口III(流行III)的初始质量函数(IMF)的光晕。我们发现,对于一些模型,大质量波普III恒星的形成可以持续到至少$z \sim 20$,并可能以大约$10^{-4}$到$10^{-5}$ M $_\odot$年$^{-1}$ Mpc $^{-3}$的速度超过$z \sim 6$,假设这些恒星是孤立形成的。在这一点上,莱曼-沃纳反馈推动恒星形成的最小晕质量超过原子冷却阈值,切断了大质量波普III星的形成。我们发现,在大多数模型中,流行II和流行III恒星形成共存的宇宙学时间尺度,总的恒星形成率密度和由此产生的辐射背景强烈主导前流行III恒星形成最终结束。这些晕在此阶段形成的大质量Pop III恒星最多为$\sim 10^3$ M $_\odot$,其绝对星等通常在$M_\text{AB} = -5 $到$ -10$之间。我们还简要讨论了未来的观测,如JWST或WFIRST和21厘米的实验望远镜可能能够约束未知参数在我们的模型,如IMF,恒星形成处方,或大规模的波普…
2017-10-06 astro-ph.GA
Extreme Primordial Star Formation Enabled by High Redshift Quasars
高红移类星体会发射大量的X射线光子,这些光子会将星系际介质加热到$\sim$ 10 $^6$ K。在如此高的温度下,原始气体将不会形成恒星,直到它组装成质量高达$\sim$ 10 $^{11}$ M $_{\odot}$的暗物质晕,此时热气体在重力的影响下坍缩并冷却。一旦发生这种情况,就会有一个巨大的原始气体库,恒星可以从中形成,这可能为早期宇宙中最明亮的星族III星暴奠定基础。支持这种情况,最近的观测类星体在z $\sim$ 6揭示了缺乏伴随莱曼$α$发射星系,与原始恒星形成的抑制与质量低于$\sim$ 10 $^{10}$ M $_{\odot}$晕一致。在这里,我们模拟了原始气体的化学和热演化,因为它坍缩成这样一个巨大的晕辐射附近的类星体在运行到一个巨大的波普III星暴。我们发现,在$\sim$ 100千秒差距的最高红移类星体发现的类星体宿主星系中产生的莱曼-维尔纳通量可能是高到足以刺激形成一个直接坍缩黑洞(DCBH)。用NIRCam仪器对单个已知的高Z类星体进行单点观测,可能是用詹姆斯·韦伯太空望远镜寻找Pop III星和DCBH的一个有希望的策略。
2019-05-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
Massive Population III Galaxies Near a GN-z11 Analog: The Role of the Baryon-Dark Matter Streaming Velocity
University of Toledo(托莱多大学);Columbia University(哥伦比亚大学)
本研究通过半解析模型与N体模拟,发现靠近GN-z11类似体的高密度区域存在晚期形成的第三星族星系,其形成受重子-暗物质流速度显著影响,高流速度可促进此类星系出现,并可能孕育重型黑洞种子。
2026-09-30 astro-ph.CO astro-ph.GA
Tracing the first stars and galaxies of the Milky Way
我们使用$Caterpillar$模拟套件的30个高分辨率暗物质晕来探测银河系质量系统的第一批恒星和星系。我们量化了银河系高$z$祖先的环境,并将它们与今天的宿主和卫星的属性联系起来。我们用几种不同的基于最小晕质量的模型(包括一个简单的Lyman-Werner反馈模型)确定了第一代第三星族(Pop III)恒星($z$ ~ 25)和第一星系($z$ ~ 22)的形成地点。通过这种方法,我们发现每个银河系质量的宿主大约有23,000个$\pm$ 5,000 Pop III潜在的恒星形成点,尽管当莱曼-沃纳反馈被包括在内时,这个数字急剧减少到550个恒星形成点,因为它在这些长度尺度上具有关键作用。大多数这些被确认的晕是孤立形成的(在$z$ = 15时为96%),并且不受邻近晕的外部富集(在$z$ = 15时,中值分离约为1 pkpc),尽管有一半在1.5 Gyrs内与比它们更大的系统合并。在$z$ = 0时,整个种群的大约55%已经合并到宿主晕中。使用粒子标记,我们还跟踪流行III残余人口$z$ = 0,并找到一个数量级的分散在他们的数量密度在小(即r $<$ 5千秒差距)和大(即r $>$ 50千秒差距)galactocentric半径在$z$ = 0。使用我们大量的实现,我们提供了拟合函数,用于确定祖minihalo和原子冷却晕系统,今天的矮星系和麦哲伦星系云系统可能已经吸积,因为…
2016-11-21 astro-ph.GA
Radiation Hydrodynamical Simulations of the Birth of Intermediate-Mass Black Holes in the First Galaxies
$z > 6$类星体种子的主要竞争者是在$z \sim$ 20的原子冷却晕中形成的直接坍缩黑洞(DCBH)。然而,形成10 $^5$ \Ms \的DCBH所需的莱曼-沃纳(LW)紫外背景是极端的,大约为10 $^4$ J $_{21}$,并且在早期宇宙中可能是罕见的。在这里,我们研究了中等质量黑洞(IMBHs)的形成在100和500 J $_{21}$的中等LW背景下,这在早期更为常见。这些背景允许晕生长到几个10 $^6$ - 10 $^7$ \Ms \和接近10 $^4$ K的维里温度,但不能完全将它们从H $_2$中灭菌。然后,气体坍缩通过Ly $α$和H $_2$快速冷却进行,其速度是普通Pop III恒星形成晕的10 - 50倍,但低于纯原子冷却晕的速度。以这种速率吸积的Pop III恒星变得蓝色和热,我们发现它们的电离紫外线辐射将它们的最终质量限制在1800 - 2800 \Ms \,在此之后它们会坍缩为IMBH。因此,在早期宇宙中,中等LW背景产生的IMBH远多于DCBH。
2021-09-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
The average submillimetre properties of Lyman-alpha Blobs at z=3
Ly-alpha斑点(LABs)提供了对星系及其环星系介质之间复杂界面的深入了解。虽然已经发现一些LAB包含发光的恒星形成星系和活动星系核,可能会为Ly-alpha发射提供动力,但其他LAB似乎与明显的发光星系对应物无关。据推测,LABs可能是由流向中央星系的冷气体提供动力的,这提供了一个直接观察星系生长的“冷吸积”模式的机会。LABs中的恒星形成星系可能被尘埃遮蔽,因此只能在更长的波长下才能被探测到。我们叠加了SSA 22场的深SCUBA-2观测,以确定34个LAB的平均850 μ m通量密度。我们测量所有LAB的S_850 = 0.6 +/- 0.2mJy,但按大小堆叠LAB表明,只有最大的三分之一(面积> 1794 kpc^2)具有平均检测,在4.5 sigma处,S_850 = 1.4 +/- 0.3mJy。只有两个实验室(1和18)在1.1 mJy/束的深度处有单个SCUBA-2 > 3.5 sigma检测。我们考虑了两种可能的机制,为动力的实验室,并发现,中央恒星的形成很可能占主导地位的发射Ly-alpha,冷吸积发挥次要作用。
2016-05-16 astro-ph.GA
The impact of reionization on the formation of supermassive black hole seeds
直接坍缩黑洞(DCBH)是由早期宇宙中原子冷却的原始气体坍缩形成的,是超大质量黑洞种子的有力候选者。DCBH被认为是在存在强分子解离的莱曼-沃纳(LW)辐射场的情况下在原子冷却晕中形成的。在这种情况下,恒星形成星系可能是LW辐射的来源,来自这些星系的电离辐射可能伴随着LW辐射。我们目前的宇宙学模拟解决的原始气体坍缩成一个原子冷却晕,包括LW和电离辐射的影响。我们发现,在气体没有自屏蔽电离辐射的情况下,坍缩可以延迟约2500万年。当电离的气体确实坍缩时,存在的自由电子催化H2的形成。反过来,H2冷却在晕的中心变得有效,并且防止了DCBH的形成。然而,我们强调,在许多情况下,气体坍缩成原子冷却晕在高红移是自屏蔽电离辐射。因此,只有在一小部分这样的晕中,DCBH的形成由于再电离而被阻止。
2015-10-14 astro-ph.CO astro-ph.GA
Reionization in the Light of Dark Stars
我们研究了暗星对宇宙再电离历史的影响,以及暗星与Lyman-Werner(LW)辐射反馈在降低宇宙微波背景(CMB)光学厚度到普朗克测量的$τ= 0.054 \pm 0.007$范围内的相互作用。我们使用半解析的方法来评估再电离的历史和CMB的光学厚度,其中包括人口II(流行II)的恒星在原子冷却晕和流行III星在minihalos与LW反馈,之前的DS阶段。我们表明,虽然LW反馈本身可以减少集成光学深度的最后散射表面$\sim 0.05$只有当流行III恒星形成效率小于$\sim 0.2\%$,列入人口的DS可以自然导致测得的CMB光学深度更大的流行III恒星形成效率$\gtrsim 1\%$。
2021-12-08 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Primordial Gas Collapse in The Presence of Radiation: Direct Collapse Black Hole or Population III star?
宇宙演化的第一个十亿年标志着第一批恒星、黑洞和星系的形成。来自第一个星系的辐射在确定邻近晕中坍缩的原始气体的最终状态方面起着重要作用。这是因为原始气体的主要冷却剂是分子氢,它可以被能量范围为$11.2 - 13.6$ ~eV的莱曼-沃纳光子解离成原子氢。氢分子的冷却会导致第三类恒星的形成,而氢原子的冷却则会导致超大质量恒星(或准恒星)的形成,从而导致大质量$10^{4-5} M_\odot$黑洞的形成,或直接坍缩黑洞。这个辐射场的光谱对于确定原始气体云是形成了第三类恒星还是形成了一个非常大质量的黑洞至关重要。我们将在下面探讨这种情况,并讨论辐射光谱如何影响坍缩的结果。
2018-07-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
Rapid Formation of Massive Black Holes in close proximity to Embryonic Proto-Galaxies
直接坍缩黑洞(DCBH)方案提供了一个形成大质量黑洞的解决方案,为早期宇宙中观测到的明亮类星体提供动力。形成DCBH的先决条件是避免形成(质量小得多的)第三星族恒星--这可以通过莱曼-沃纳(LW)辐射(E $_{\rm{LW}}$ = 12.6 eV)摧毁H $_2$来实现。我们发现,两个条件必须满足在原星系,将主机DCBH。首先,先前的恒星形成必须被延迟;这可以通过背景LW流量J $_{\rm BG} \gtrsim 100\ J_{21}$来实现。第二,在气体云发生引力坍缩之前,需要来自邻近恒星爆发原星系的强烈长波辐射爆发,以最终完全抑制恒星的形成。我们在这里首次使用高分辨率的流体动力学模拟,包括充分的辐射转移,这种低水平的背景,结合紧密的同步和初级原星系的次级原星系的辐射,不可避免地移动次级原星系上的等温原子冷却轨道,没有有害的影响,无论是光蒸发的气体或污染它的重元素。这些原子冷却的大质量原星系预计最终会形成质量为$10^4 - 10^5 M_{\odot}$的DCBH。
2017-03-10 astro-ph.CO astro-ph.GA
The high-redshift tail of stellar reionization in LCDM is beyond the reach of the low-$\ell$ CMB
第一代(Pop-III)星可以通过$z=15$电离宇宙的1-10%,而富金属(Pop-II)星对电离的贡献可以忽略不计。这种低电离尾部可能会在大尺度CMB E模式偏振上留下可检测的印记。然而,我们表明,再电离的物理模型不太可能被充分扩展到检测任何参数超过总的光学深度通过再电离。这一结果部分是由普朗克推断的总光学深度驱动的,表明$z=8$周围有一个再电离中点,这与再电离由$z\approx 5.5$完成的要求相结合,限制了扩展尾部的幅度。为了证明这一点,我们进行半解析计算的再电离,包括流行-III星形成的minihalos与莱曼-沃纳反馈。我们发现,标准的Pop-III模型需要产生非常广泛的再电离在$z>15$,以区分在2- $σ$从Pop-II-唯一的模型,假设宇宙方差有限的测量低- $\ell$ EE功率谱。然而,我们表明,除非有(1)一个晚时间淬灭机制,如从强X射线反馈或(2)一些其他极端的波普-III的情况下,结构的形成使得它相当具有挑战性,以产生足够高的汤姆逊散射光学深度的$z>15$,$τ(z>15)$,并仍然与其他观测约束的再电离。
2021-09-28 astro-ph.CO astro-ph.GA
Impact of the Primordial Stellar Initial Mass Function on the 21-cm Signal
第一代恒星(Pop III)的性质,如它们的初始质量函数(IMF),受到观测的约束很差,并且在模拟之间尚未收敛。中性氢的宇宙学21厘米信号被预测对这些恒星产生的莱曼带光子敏感,从而提供了一种独特的方式来探测第一个恒星星族。在本文中,我们调查的影响,Pop III IMF的宇宙黎明21厘米信号通过Wouthuysen场效应,莱曼-沃纳反馈,Ly-alpha加热,和CMB加热。我们计算不同IMF的恒星形成晕的发射光谱,通过整合个人的无金属恒星光谱,计算从一组恒星演化的历史和恒星大气,并考虑到光谱的变化与恒星年龄。因此,通过这项研究,我们放宽了两个常见的假设:零年龄的主序发射率的Pop III星是其一生的平均发射率的代表,和Pop III排放可以被视为瞬时。探索底部重,顶部重,和中间IMF,我们表明,在21厘米的信号的变化是由轻于20个太阳质量的恒星驱动。对于探索的模型,我们发现在宇宙黎明全球21厘米信号的最大相对差异为59%,功率谱之间的131%。虽然这种影响是适度的,但对第一批恒星及其演变的精确建模对于准确预测和解释21厘米信号是必要的。
2022-07-21 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Modelling Population III stars for semi-numerical simulations
从理论上模拟第三星族星(Pop III星)引起的21厘米信号是从当前和即将到来的21厘米观测中提取关于Pop III星的丰富信息的关键。在这项工作中,我们开发了一个新的模块的波普III星的逃逸分数的电离光子和莱曼-沃纳(LW)的光子,光加热的紫外线辐射,和LW的反馈始终纳入。通过实施该模块到一个公共的21厘米半数值模拟代码,21CMFAST,我们展示了21厘米信号计算和调查的重要性,流行III星建模。我们发现,从波普III星宇宙再电离的贡献显着依赖于逃逸分数的治疗。用我们的逃逸分数模型,Pop III星几乎没有再电离的贡献,因为质量较小的晕,其逃逸分数高,不能主机Pop III星由于LW反馈。另一方面,Pop III型恒星的再电离贡献与传统的恒定逃逸分数。我们还发现,如果宇宙的电离分数高于约1%,紫外光加热对21厘米全球信号和21厘米功率谱有不可忽略的影响。在这种情况下,21厘米全球信号的强度取决于光加热效率,因此也取决于Pop III恒星的质量。我们的结论是,详细的建模流行III星是必不可少的预测21厘米观测准确未来的观测。
2020-11-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Optimal neighbourhood to nurture giants: a fundamental link between star forming galaxies and direct collapse black holes
原始气体的\textit{direct}坍缩产生的大规模$10^{4-5}\rm\ M_{\odot}$黑洞种子需要具有极低H $_2$分数的无金属原子冷却晕,允许气体在原子氢存在下等温冷却。为了实现该化学-化学状态,气体需要被以下两者照射:能量范围为$11.2-13.6$ eV的能够光解离H $_2$的莱曼-维尔纳(LW)光子,以及能量范围为$0.76$ eV的能够光分离H $^-$的光子。采用宇宙学模拟能够创建第一个星系的高分辨率,我们探讨是否存在一个子集,有利于DCBH形成在他们的附近。我们发现了星系形成DCBH的最大距离与其恒星形成率(SFR)之间的基本关系,该关系自动地包含了H $_2$光解离和H $^-$光脱离的化学反应效应.这与在最大距离处看到的LW通量参数的分散形成对比。它显示了高达3个数量级的散射,这可以解释为“J $_{crit}$”中的散射。因此,计算的速率和/或LW通量从一个星系不再是必要的,以确定DCBH形成的相邻网站,因为我们的关系允许一个区分区域,DCBH的形成可以触发在附近的一个给定的SFR的星系。
2019-05-28 astro-ph.CO astro-ph.GA
The critical radiation intensity for direct collapse black hole formation: dependence on the radiation spectral shape
已有研究认为,超大质量黑洞(SMBH)是由初始气体中在z gtrsim 10处形成的直接坍缩黑洞(DCBH)在H2冷却被强外辐射抑制的情况下产生的.在这项工作中,我们研究了临界比强度J^crit所需的DCBH形成的各种辐射光谱形状的一系列的一个区域的计算坍缩的原始气体云。我们计算了莱曼-沃纳(LW)带J ^crit_LW,21(单位为10^-21 erg s^-1 Hz^-1 sr^-1 cm^-2)处贫金属星系真实光谱的临界比强度。我们发现,对于J ^crit_LW,21 = 1300-1400的恒恒星形成星系,J ^crit对年龄和金属丰度不敏感,而对于瞬时星暴星系,J^crit随着星系年龄的增大或金属丰度的增加而减小.然而,对于年轻星系或极端贫金属星系,这种对瞬时星暴星系的依赖性很弱:年轻星系的J ^crit_LW,21 = 1000-1400,而极端贫金属星系的J ^crit_LW,21约为1400。实际光谱的J^crit的典型值高于文献中预期的值,这影响了估计的DCBH数密度n_DCBH。通过外推Dijkstra、Ferrara和Mesinger的结果,我们得到了z = 10时的n_DCBH sim 10^-10 cMpc^-3,尽管这一估计仍有很大的不确定性。
2014-07-15 astro-ph.CO astro-ph.GA
Self-consistent Semi-analytic Modeling of Feedback During Primordial Star Formation and Reionization
我们提出了一个新的半解析模型的第一批恒星的形成。我们的方法需要暗物质晕合并树(包括3维空间信息)从宇宙学N体模拟作为输入,并应用解析处方计算人口III(流行III)和金属富集的恒星形成历史。我们已经开发了一种新的方法来准确地计算影响Pop III恒星形成的主要反馈过程:H $_2$从莱曼-沃纳(LW)辐射的光解离,抑制恒星形成由于不均匀的再电离,和通过超新星风的金属富集。我们的方法利用基于网格的方法,依靠快速傅立叶变换(FFT),以快速跟踪整个模拟框中的三维LW强度,电离分数和金属丰度。我们提出了广泛的天体物理模型参数的模拟从$z\approx 30-6$。最初的远程LW反馈和本地金属富集和再电离反馈占主导地位。然而,对于$z \lesssim 15$,我们发现Pop III型恒星的恒星形成率密度(SFRD)受到外部金属富集(来自一个晕的金属污染其他原始晕)和不均匀再电离的影响。我们发现这些过程的相互作用对于$z \lesssim 10$的Pop III SFRD尤其重要。再电离反馈延迟恒星形成足够长的时间,使金属气泡到达光晕,否则就会形成Pop III恒星。与单独的LW反馈相比,包括这些效应可以导致在$z=6$下Pop III SFRD的数量级以上的降低。
2020-06-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Emergence of the First Star-free Atomic Cooling Haloes in the Universe
利用文艺复兴时期的模拟套件,我们研究了早期宇宙中既无金属又无恒星的原始原子冷却晕的出现。金属的缺乏防止了灾难性的冷却,抑制了碎片化,并可能允许形成巨大的黑洞种子。在这里,我们报告的原始原子冷却晕的丰度发现和特定的物理条件,允许这些直接坍缩黑洞(DCBH)晕的形成。在我们的模拟中,我们发现在红移11.6之前总共形成了79个DCBH晕。我们发现,原始的原子晕的形成是由快速组装的原子冷却晕合并,无论是轻微的和/或重大的,达到原子冷却极限的要求之前。然而,集合晕保持不受(外部)金属富集的能力同样重要,并强调了在这种模拟中跟踪金属迁移的必要性。我们发现的候选DCBH宿主晕已经暴露在J $_{LW}$ $\sim$ 1 J $_{21}$的平均莱曼-沃纳辐射场中,并且通常距离最近的大质量星系至少10 kpc(物理)。晕的增长率达到每单位红移大于10 $^7$ M $_{\odot}$的值,导致显着的动态加热和抑制有效的冷却,直到晕越过原子冷却阈值。最后,我们还发现了五个同步晕候选人的原始原子冷却晕出现的空间和时间同步。
2020-01-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
What is the Maximum Mass of a Population III Galaxy?
我们利用宇宙流体动力学模拟研究暴露于强电离辐射的暗物质晕中第三族(Pop III)恒星的形成。我们模拟了三个晕的形成受到广泛的电离通量,并发现,高通量,电离和光加热可以延迟气体崩溃和恒星形成晕质量显着大于原子冷却阈值。对于中间值,气体首先坍缩和冷却的阈值晕质量随着电离通量而增加,并且对于极高通量,在大约高于原子冷却阈值一个数量级的值处饱和(例如,$z\approx6$处的$\approx 5 \times 10^8 ~ M_\odot$)。这种行为可以理解为光加热,电离/复合,和在压力支持下,自保护气体核心的暗物质晕中心的Ly $α$冷却。我们研究了坍缩气体的球平均径向速度分布,发现高达$\approx 10^{6}~ M_\odot$的气体质量可以到达$3~{\rm Myr}$内的中心区域,提供了可以形成的大质量Pop III星的数量的上限。与单独的强莱曼-维尔纳(LW)辐射相比,电离辐射使该极限增加了几倍。我们的结论是,最近观察到的明亮的HeII 1640从高红移星系CR 7的发射不能解释的Pop III星单独。然而,在某些晕中,可能会形成足够数量的Pop III恒星,以便用未来的望远镜(如詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST))进行探测。
2017-05-01 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
Beyond Jcrit: a critical curve for suppression of H2-cooling in protogalaxies
早期原星系中氢冷却的抑制对超大质量黑洞种子的形成、第一代恒星的形成以及再电离时代的形成具有重要意义。这种抑制可以通过H2的光解离(通过紫外莱曼-维尔纳[LW]光子)或通过H-的光分离(通过红外[IR]光子)发生,H-是H2形成的前体。以前的研究通常采用理想化的光谱,黑体或幂律形状,在模拟无金属原星系的化学,并利用一个单一的参数,临界紫外线通量,或Jcrit,以确定是否阻止H2冷却。这可能会产生误导,并且与光谱形状无关,在(kLW,kH^-)平面上存在一条临界曲线,其中kLW和kH^-是LW和IR光子对H2的解离速率,它决定了原星系是否可以冷却到~1000开尔文以下。我们使用一个区域模型来跟踪引力坍缩的原星系气体的化学和热演化,计算这一临界曲线,并提供一个准确的分析fittforit. We改善以前的工作,考虑各种更现实的流行III或流行II型光谱从人口合成模型和执行完全依赖于频率的计算每个光谱的H2-光解速率。我们计算了每个光谱的kLW/kH^-的比值,以及不同IMF和金属丰度的最小恒星质量M_star,以防止距离d的邻近晕冷却。我们提供了抑制H2冷却的临界M_star/d2值,与解析拟合,可用于未来的研究。
2017-01-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
Birth of the first stars amidst decaying and annihilating dark matter
本研究利用简化暗晕模型探究衰变与湮灭暗物质的能量注入对第一代星系分子氢含量及恒星形成暗晕阈值质量的影响,发现其可产生正反反馈并影响宇宙黎明21cm信号,为后续模拟指明参数方向。
2023-08-24 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
A simple model for molecular hydrogen chemistry coupled to radiation hydrodynamics
我们引入非平衡分子氢化学的辐射流体力学程序Ramses-RT。这是一个自适应网格细化网格代码与辐射流体力学耦合的热化学的氢和氦的矩为基础的辐射转移与爱丁顿张量封闭模型。我们包括的H2物理是尘埃颗粒的形成,气相形成,三体碰撞形成,碰撞破坏,光解离,光电离,宇宙射线电离和自屏蔽。特别是,我们实现了第一个模型H2的自屏蔽,是当地的时刻为基础的辐射转移,通过增强光破坏。这种来自莱曼-维尔纳线重叠的自屏蔽对于H2形成和气体冷却至关重要。我们现在可以跟踪分子,原子和电离氢物种及其相应的解离和电离光子组的非平衡演化。经过一系列的测试,我们表明,我们的模型工作得很好相比,专门的光解离区域代码。我们成功地再现了分子和原子氢之间的过渡深度,分子冷却的气体,和一个现实的斯特朗格伦球嵌入在分子介质。在本文中,我们专注于测试案例,以证明我们的模型在小规模上的有效性。我们的最终目标是在大规模的星系模拟中实现这一点。
2018-09-05 astro-ph.GA
Cradles of the first stars: self-shielding, halo masses, and multiplicity
第三星族(PopIII)恒星的形成是早期宇宙演化的关键一步。为了了解这些恒星如何影响它们富含金属的后代,需要确定Pop III形成的方式,原因和地点的细节。其中一个被认为对Pop III星的形成有很大影响的过程是莱曼-沃纳(LW)辐射背景的存在,它破坏了H $_2$,H是Pop III星形成过程中必需的冷却剂。自屏蔽可以减轻LW背景对晕内H $_2$的影响。在这项工作中,我们进行了宇宙学模拟,研究流行III星的诞生地,使用自适应网格细化代码恩佐。我们研究了宿主晕质量的分布及其与LW背景强度的关系。与以前的工作相比,晕形成波普III星在低得多的质量,高达几个因素,由于包括H $_2$自屏蔽。我们没有看到LW强度和宿主晕质量之间的关系。大多数晕形成多颗Pop III星,在Pop III形成的情况下,中间数为4颗,最多为16颗。我们的结果表明,Pop III恒星形成受到LW辐射反馈的影响可能比之前认为的要小,并且Pop III多系统很常见。
2020-01-13 astro-ph.GA
Radiative feedback for supermassive star formation in a massive cloud with H2 molecules in an atomic-cooling halo
最近对原星系形成的三维宇宙学模拟表明,超大质量恒星(SMS)可以在气体云中形成,其中H $_2$冷却在原子冷却激活之前被动态加热抑制(Wise et al. 2019),但它们在中央原恒星的后续生长中停止。在这里,我们研究是否吸积的原恒星核心在这个云是足够快的,在面对的辐射反馈,产生SMS。我们直接采用Wise等人(2019)的云属性作为初始条件,对具有非平衡化学反应的热塌陷云进行一维辐射流体动力学模拟。我们发现来自SMS的恒星Lyman-Werner(LW)辐射使气体流内部区域的H $_2$解离,增加气体温度和热压,并暂时停止吸积。然而,当自重和较大尺度的向内冲压压力将气体向内推动时,这种负反馈停止。中央的原恒星由于密度高而无法扩张成HII区域,并生长成质量为$\gtrsim10^5\,{{\rm M}_\odot}$的物质。我们的研究结果表明,成功形成的SMS,并由此产生的大规模($\sim10^5\,{{\rm M}_\odot}$)残留黑洞在云中,但需要在二维或三维模拟证实。
2020-10-13 astro-ph.GA
Late Pop III Star Formation During the Epoch of Reionization: Results from the Renaissance Simulations
我们目前的结果,从文艺复兴时期的模拟,一套极高的分辨率和物理丰富的辐射输运流体动力学宇宙学自适应网格细化模拟高红移星系形成的红移7.6的Pop III星的形成在蓝水超级计算机上进行。在大约220个Mpc $^3$的观测量中,我们发现了14个新近形成恒星的Pop III星系。Pop III星的形成时间之所以如此之晚,可能是由于两个因素:(1)金属富集过程是局部的,而且缓慢,在巨大的体积中留下了大量的原始气体;和(ii)早期星系中旺盛的富含金属的恒星形成所产生的强莱曼-沃纳辐射抑制了(“不是这样”)质量小于$\sim$ 3 $\times$ 10 $^7$ M $_\odot$的小型原始晕。我们量化这些Pop III星系和它们的Pop III恒星形成环境的属性。我们寻找最近发现的发光的Ly $α$发射体CR 7(Sobral et al. 2015)的类似物,该发射体被解释为富含金属的恒星形成星系内或附近的Pop III星团。我们发现并讨论了一个在某些方面与之类似的系统,然而Pop III星团的质量和亮度远远低于CR 7。
2016-04-12 astro-ph.GA
The Evolution of Population III and Extremely Metal-Poor Binary Stars
本文利用MESA代码研究Pop III和极贫金属双星演化,发现质量转移等双星相互作用可显著改变紫外光子产率、超新星类型及核合成产率,并提供了用于宇宙学模拟的光子产率拟合公式。
2023-05-29 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Self-consistent semi-analytic models of the first stars
我们已经开发了一个半分析框架来模拟第一个第三星族(Pop III)恒星的大规模演化和向富含金属的恒星形成的过渡。我们的模型遵循宇宙学N体模拟的暗物质晕,利用它们各自的合并历史和三维位置,并应用物理激励的处方恒星形成和反馈莱曼-沃纳(LW)辐射,氢电离辐射和外部金属富集由于超新星风。这种方法的目的是补充分析研究,其中不包括集群或个人合并的历史,流体动力学宇宙学模拟,其中包括详细的物理,但计算昂贵,动态范围有限。利用这种技术,我们计算的累积Pop III和金属富集的恒星形成率密度(SFRD)的红移在$z \geq 20$的函数。我们发现,不同的模型参数会导致显着的全球恒星形成历史的质的变化。Pop III恒星形成效率和Pop III与随后的金属富集恒星形成之间的延迟时间被认为具有最大的影响。聚类(即包括个人晕的三维位置)对各种反馈机制的影响也进行了研究。在我们的基准模型中,集群对LW和电离反馈的影响相对温和,但如果外部金属富集可以促进金属富集恒星在大距离上形成,则影响可能更大。
2018-01-12 astro-ph.GA
Radiative Stellar Feedback in Galaxy Formation: Methods and Physics
来自恒星的辐射反馈(RFB)在星系中起着关键作用,但仍然知之甚少。我们探索这一点,使用高分辨率,多频辐射流体动力学(RHD)模拟反馈在现实环境(FIRE)项目。我们通过银河系质量尺度研究超暗矮星,包括H+He光电离;光电,莱曼沃纳,康普顿和尘埃加热;和单次+多次散射辐射压力(RP)。我们比较了不同的数值算法:基于光线的LEBRON(光学薄时精确)和基于矩的M1(光学厚时精确)。星系尺度上最重要的RFB通道是光电离加热和单散射RP:在所有星系中,大多数电离/远紫外光度(约1/2的寿命积分测辐射热)被吸收。在矮星中,最重要的作用是来自抑制吸积的紫外背景的光电离加热。在MW质量星系中,元星系背景的影响可以忽略不计,但局域光电离和单次散射RP有助于调节星系恒星形成效率和降低中心密度。如果没有一些RFB(或其他“快速”FB),解析的GMC转换成恒星的效率太高,使星系由超密度的束缚星团主导。这使得当SNe在这些超集群天体中爆炸时,恒星的形成更加暴力和“突发”:因此,包括RFB“平滑”SFH。这些结论对RHD方法是稳健的,但M1产生更强的影响。像在以前的FIRE模拟,红外多重散射是罕见的(可忽略不计的矮星,~10%的RP在大质量星系):吸收主要发生在'正常' GMC与A_v~1。
2020-02-08 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Rise of the First Super-Massive Stars
我们使用高分辨率自适应网格细化模拟来模拟早期宇宙中大质量无金属恒星的形成。分别利用100 J $_{21}$和1000 J $_{21}$的Lyman-Werner(LW)背景,构造了有利于大质量恒星形成的环境。我们发现,只有在更高的LW背景的情况下,超临界吸积率实现超大质量恒星(SMS)的形成是必要的。两种背景均观察到轻度碎片化。在更大质量的晕中(1000 J的$_{21}$背景),恒星之间的剧烈动力学相互作用导致两颗最大质量的恒星最终从晕中被驱逐。在较小的质量晕(100 J $_{21}$背景)合并的恒星发生之前,任何多体相互作用和一个单一的大规模流行III星是留在我们的模拟结束时的中心晕。来自非常巨大的Pop III恒星的反馈在产生一个大的HII区域时是无效的,电离光子在恒星的几千AU内被吸收。在所有情况下,巨大的黑洞种子都是最大质量物体的预期最终命运。大质量的波普III型恒星的种子仍然在中心的质量较小的晕经验稳定的吸积率几乎$10^{-2}$ M $_{\odot}$ /年,如果这些利率继续可能会遇到超级爱丁顿吸积率在崩溃后立即成为一个黑洞。
2018-05-17 astro-ph.GA
Where are the Low-Mass Population III Stars ?
我们研究了银河系中低质量Pop III星的数量和分布。在我们的数值模型中,暗物质小晕和银河系大小的晕的分层形成之后,高分辨率的宇宙学模拟。我们模型的Pop III形成在H2冷却minihalos没有金属的莱曼-维尔纳带的紫外辐射下。假设Kroupa IMF从0.15到1.0 Msun的低质量的Pop III星,作为一个工作假设,我们试图通过当前和未来的观测反向约束理论模型。我们发现,幸存者往往集中在中心的光环和subhalos。我们还评估了银河系和矮星系中Pop III幸存者的可观测性,以及每个minihalo的Pop III幸存者数量的限制。由于银盘中恒星的数量密度较高,高纬度区域需要的样本量较小;通过优化窄带滤光片,在高纬度和中纬度区域选择低金属丰度恒星,所需的样本量相当;对于红巨星尖端,在<100 kpc处,找到一个Pop III幸存者所需的矮星系数量小于10个。如果现有的观测没有发现任何幸存者,那么每个微晕超过10颗恒星的低质量Pop III星的形成模型已经被排除在外。在此基础上,讨论了在大于10 Msun的高质量范围内,如何限制Pop III星的IMF。
2017-01-03 astro-ph.GA
The Role of Stellar Feedback in the Chemical Evolution of a Low Mass Dwarf Galaxy
我们研究了多通道恒星反馈模型的各个方面如何驱动一个低质量的,孤立的矮星系的化学动力学演化,使用一套高分辨率的模拟。我们的模型如下随机抽样的初始质量函数的单个恒星粒子,考虑独立的反馈:超新星;恒星辐射引起的光电加热的尘埃颗粒,电离和相关的加热,莱曼-沃纳(LW)的H $_2$的解离,辐射压力;风从大规模的主序星(忽略其能量输入)和渐近巨星分支(AGB)的明星。辐射转移是通过射线追踪来完成的。我们认为这些过程中的每一个调节恒星形成率,全球性的属性,多相星际介质(ISM),和银河风的驱动的影响。我们遵循不同的核合成富集通道(AGB风,大质量恒星风,核心塌陷和Ia型超新星)的个别金属物种,并特别注意这些反馈过程如何调节ISM中的金属混合,流出的金属含量,以及我们银河系中的恒星丰度模式。我们发现,-对于一个低金属丰度,低质量矮星系-恒星辐射,特别是电离辐射和LW辐射,是恒星反馈的重要来源,其影响占主导地位的光电加热和HI辐射压力。然而,反馈是非线性耦合的,每个过程的包含或排除都会产生不可忽略的影响。我们发现强烈的变化与:恒星形成的历史;金属,质量和能量的喷射分数;和气体和恒星中不同核合成源的元素分布。
2020-07-07 astro-ph.GA
The Formation of Very Massive Stars in Early Galaxies and Implications for Intermediate Mass Black Holes
我们研究了原始原子冷却晕中超大质量恒星的从头算形成。光晕是从一个更大的自洽父模拟中提取的。由于合并产生的动力学加热和温和的($J_{\rm LW} \sim 2 - 10 \ J_{21}$(z))莱曼-沃纳(LW)背景的结合,晕仍然没有金属,恒星的形成受到抑制。我们发现有超过20颗质量大于1000 M的超大质量恒星形成$_{\odot}$。质量最大的恒星质量超过6000 M $_{\odot}$。然而,在最初的$\sim$ 100 kyr演化之后,所有恒星的吸积都显著下降,因为周围的物质被吸积,气体的湍流性质导致恒星移动到较低密度的区域。我们后处理的电离辐射的影响,从恒星,并发现电离辐射是不是一个限制因素时,考虑SMS的形成和增长。相反,出生的环境是高度动荡和稳定的吸积流没有保持在我们的模拟的时间尺度(200万年)。当大质量恒星以直接坍缩黑洞的形式结束它们的生命时,这将为这些胚胎晕播下质量在大约300 M $_{\odot}$和10,000 M $_{\odot}$之间的黑洞种群。之后,它们可能会下沉到晕的中心,最终合并形成更大的中等质量黑洞,其原位合并将被LISA检测到。
2020-12-17 astro-ph.GA
Some First Stars Were Red: Detecting Signatures of Massive Population III Formation Through Long-Term Stochastic Color Variations
在最初的10亿年内,识别在原始环境(Pop III)中形成的恒星对于揭示星系的最早生长和化学演化至关重要。然而,Pop III星系通常被认为太微弱,数量太少,无法被未来的仪器探测到,除非有极长的积分时间和/或极端的透镜效应。然而,在恒星形成被抑制直到晕越过原子冷却极限的环境中(例如,通过适度的莱曼-维尔纳通量、高重子流速度和/或动力学加热效应),原始晕可以形成数量更多、质量更大的恒星。这些恒星中的一些反过来会比它们在任何给定时间的热弛豫更快地吸积。使用高分辨率宇宙学放大模拟大质量恒星形成的高Z晕,我们发现,这种快速吸积的恒星产生突出的光谱特征,这将是可检测的{ \it JWST}。晕内的快速吸积事件导致在长时间尺度上将0- 20%的总恒星发射随机再处理到静止框架光学中,这是一种独特的特征,可以允许仅使用中波段和宽波段近红外照相机颜色进行深层观测以识别$z \sim 10-13$以外的此类物体。
2021-09-27 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR