Faint progenitors of luminous $z \sim 6$ quasars: why don't we see them?
在$z > 6$上观测寻找微弱的活动核是非常难以捉摸的，只有少数候选者的高$z$性质仍有待证实。解释这种缺乏检测是至关重要的，以提高我们的理解高$z$超大质量黑洞（SMBHs）的形成和增长。在这项工作中，我们提出了一个模型，在X射线波段的吸积BH的发射，考虑到超爱丁顿吸积，这可以是非常常见的富含气体的系统在高$z$。我们计算的光谱能量分布的一个样本的活动星系模拟在宇宙学的背景下，这代表了一个$z \sim 6$ SMBH与$M_{\rm BH} \sim 10^9 \, M_\odot$的祖先。我们发现了一个平均康普顿厚分数的$\sim 45\%$和大的典型柱密度（$N_H \gtrsim 10^{23} \rm \, cm^2$）。然而，微弱的祖先仍然足够明亮，可以在当前调查的X射线波段中检测到。即使考虑到最大遮蔽效应，可检测的BH的数量也最多减少2倍。在我们的模拟样本中，微弱类星体的观测主要受到其极低活动部分（$f_{\rm act} \sim 1 \%$）的限制，这是短暂的超临界生长事件的结果。我们建议，要探测高$z$ SMBH的祖先，具有较浅灵敏度的大面积调查，如Cosmos Legacy和XMM-LSS+XXL，相对于探测较小区域的深层调查，如CDF-S，是首选。
2016-12-13 astro-ph.CO astro-ph.GA
Probing the $z\gtrsim6$ quasars in a universe with IllustrisTNG physics: Impact of gas-based black hole seeding models
我们探讨了宇宙学流体动力学模拟中一系列黑洞（BH）播种处方对最亮$z\gtrsim6$类星体形成的影响。基本的星系形成模型与IllustrisTNG中的相同。使用约束的初始条件下，我们研究了生长的BH在罕见的过密区域（形成$\gtrsim10^{12}M_{\odot}/h$晕的$z=7$）使用$(9~\mathrm{Mpc}/h)^3$模拟体积。BH的增长是最大的晕是紧凑的，有一个低潮场。对于这些晕，我们考虑了一系列基于气体的播种处方，其中$M_{\mathrm{seed}}=10^4-10^6~M_{\odot}/h$种子被插入到晕质量和致密的、金属贫乏的气体质量（分别定义为$\tilde{M}_{\mathrm{h}}$和$\tilde{M}_{\mathrm{sf,mp}}$，以$M_{\mathrm{seed}}$为单位）的临界阈值以上的晕中。我们发现，一个种子模型与$\tilde{M}_{\mathrm{sf,mp}}=5$和$\tilde{M}_{\mathrm{h}}=3000$成功地产生了一个$z\sim6$类星体与$\sim10^9~M_{\odot}$质量和$\sim10^{47}~\mathrm{ergs~s^ {-1}}$光度。BH合并在$z\gtrsim9$中起着至关重要的作用，在吸积驱动的BH增长可以忽略不计的时候，导致BH质量的早期增加。当应用更严格…
2022-05-11 astro-ph.GA
The Formation of the First Quasars. I. The Black Hole Seeds, Accretion and Feedback Models
$\sim 10^9\, M_\odot$的超大质量黑洞（SMBH）通常被认为是在$z\gtrsim6$观测到的发光类星体的中心引擎，但它们的天体物理起源仍然难以捉摸。$z\gtrsim$类星体存在于罕见的密度峰值中，这对均匀的流体动力学模拟提出了一些挑战。为了研究这些遥远的类星体的形成，我们对一个有利的晕进行了一系列放大模拟，该晕在$z = 6$上的质量为$\sim 10^{13}\, M_\odot$，并且有多次重大合并的历史，非常适合BH的生长。我们测试BH种子的$10 - 10^6\, M_\odot$，和各种吸积和反馈模型，包括薄盘和薄盘吸积。我们发现，与以前的研究相反，即使在超临界吸积下，$\lesssim 10^3\, M_\odot$的光种子也不能通过$z\sim 6$生长到$10^8\, M_\odot$;由于更强的反馈，超爱丁顿模式导致比爱丁顿限制情况更低的吸积速率，导致BH显著小两个数量级;并且，虽然超临界模型促进了低自旋BH的生长，但对于高自旋BH，由于增加的辐射反馈，质量可能会减少。我们的模拟表明，第一个$10^8 - 10^9\, M_\odot$ SMBH可能是从$\gtrsim 10^4\, M_\odot$的重种子通过爱丁顿有限或温和的超临界吸积，由富含气体的合并和反馈的自我调节促进，它们与它们的宿主星系共同进化，产生明亮的类星体，如$z\sim$…
2020-12-02 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
Effects of spin on constraining the seeds and growth of $\gtrsim 10^9M_\odot$ supermassive black holes in $z>6.5$ Quasars
在红移为$z>6$的$\gtrsim10^9M_\odot$超大质量黑洞（SMBHs）的存在提出了这样的SMBHs如何在宇宙时间（$<1$ \，Gyr）内从小种子黑洞成长的问题。在这封信中，我们使用的$14$类星体在$z>6.5$的质量估计，以限制它们的种子和早期的增长，通过自洽考虑的自旋演化和超爱丁顿吸积的可能性。我们发现自旋在早期SMBH的生长中起着重要的作用，并且对种子质量和超爱丁顿吸积分数的约束强烈地依赖于假设的吸积历史。如果吸积与单个（或少量）事件相干，导致大部分吸积时间的高自旋，那么SMBH增长相对缓慢;如果吸积是混沌的，有许多事件，并且在每个事件中，总吸积质量远小于SMBH质量，导致中等/低自旋，那么增长相对较快。对种子质量和超爱丁顿吸积分数的约束是退化的。如果种子质量不是$\gg10^{5}M_\odot$，则需要超爱丁顿吸积的显著分数（对于$10^3-10^4 M_\odot$种子，线性尺度中的$\gtrsim0.1\%-1\%$但对数尺度中的$\sim 3-4$ dex），并且如果吸积是混沌的，则适度放宽对高种子质量和/或超爱丁顿吸积分数的要求。
2020-11-17 astro-ph.GA astro-ph.HE
An Optically Faint Quasar Survey at z~5 in the CFHTLS Wide Field: Estimates of the Black Hole Masses and Eddington Ratios
本文介绍了在加拿大-法国-夏威夷望远镜遗产巡天宽视场的一部分中对z~5的暗类星体候选者进行光谱跟踪观测的结果。我们选择了9个光度候选者，确定了3个z~5暗类星体，1个z~4暗类星体和1个晚型星。由于两个微弱的类星体光谱都显示出Civ发射线，而没有受到强大气吸收的影响，我们估计了它们的黑洞质量（M $_{BH}$）和爱丁顿比（L/L $_{Edd}$）。推断的log M $_{BH}$分别为9.04+/-0.14和8.53+/-0.20。此外，推断的log（L/L $_{Edd}$）分别为-1.00+/-0.15和-0.42+/-0.22。如果我们采用L/L $_{Edd}$ =常数或$\propto$（1+z）^2，则我们的z~5暗类星体的种子黑洞质量（M $_{seed}$）在大多数情况下将大于10^5 M $_\odot$。我们还将观测结果与质量吸积模型进行了比较，其中角动量由于超新星爆炸而丢失（Kawakatu & Wada 2008）。因此，即使M $_{seed}$为~ 10^3 M $_\odot$，我们的样品中z~5暗类星体的M $_{BH}$也可以得到解释。由于z~6亮类星体和我们的z~5暗类星体的演化轨道不同，z~6亮类星体和我们的z~5类星体不是同一种群，而是不同种群，这是由于宿主星系的质量供给周期不同造成的。此外，我们还证实了即使z~6亮类星体和我们的z~5暗…
2017-08-01 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
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
Evolution of high-redshift quasar hosts and promotion of massive black hole seed formation
由质量为$\gtrsim 10^9 M_\odot$的超大质量黑洞（SMBH）吸积提供动力的高红移发光类星体限制了它们的形成路径。我们调查的形成沉重的种子SMBHs通过气体崩溃的类星体的主机祖星，合并树跟踪晕生长在高度偏置的，过密的宇宙区域。前身晕很可能是受到附近恒星形成星系的强烈H $_2$光离解辐射的照射，并通过连续的合并加热内部气体。合并产生的气体动能以及重子流运动阻止了气体坍缩，并推迟了先前的恒星形成。随着流动速度高于均方根值，气体云在几乎所有$10^4$实现的合并树进入原子冷却阶段，并开始通过Ly $α$冷却与$T \simeq 8000 K$等温塌陷。等温气体坍塌的树木的分数是$14\%$，并与流动速度增加，而其余的形式H $_2$冷却的核心后，短的等温阶段。如果塌陷气体富集到$Z_{crit}\sim 2\times 10^{-3} Z_\odot$，需要有效的金属混合，则可以通过经由金属精细结构线的额外冷却来减少该部分。在大质量坍缩气体中，新生原恒星的吸积速率在$3 \times 10^{-3}-5 M_\odot yr^{-1}$之间，其中大部分超过抑制恒星辐射反馈的临界速率。因此，我们预计恒星质量（可能是BH质量）的分布范围从几百到$10^5 M_\odot$以上，可能形成大质量BH双星合并并产生引力波事件。
2021-06-15 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$\log(M_{i}/\mathrm{M_{\odot}}) > 4.…
2020-06-02 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Light, medium-weight or heavy? The nature of the first supermassive black hole seeds
在$z>6$对超亮类星体的观测揭示了超大质量黑洞（SMBH $>10^9 \rm M_{\odot}$）的快速增长，其起源仍然难以解释。它们的祖先可能是大质量无金属恒星（轻种子）的残余，通过恒星碰撞（中等质量种子）和/或大质量气体云直接坍缩（重种子）形成的。在这项工作中，我们调查的第一次在形成$z>6$ SMBHs在爱丁顿有限的气体吸积的情况下，这三个种子人口的相对作用。为此，我们在半解析数据约束模型中实现了莱曼-沃纳（LW）光离解辐射和金属/尘埃富集的空间波动的统计描述。这使我们能够设置BH种子形成的物理条件，在$z>6$的宇宙高度偏差区域探索它们的相对出生率。我们发现，列入中等重量的种子不定性地改变的生长历史的第一SMBH：虽然不太大规模的种子（$<10^3 \rm M_\odot$）形成在一个较高的速度，质量增长的一个$\sim 10^9 \rm M_\odot$ SMBH在$z<15$是由有效的气体吸积（在亚爱丁顿速率）到其沉重的祖先（$10^5 \rm M_\odot$）。这一结论独立于LW辐射的临界水平，甚至当中等重量的种子被允许在更高的金属丰度星系中形成时，通过所谓的超级竞争吸积场景。我们的研究表明，$z \sim 6$ SMBHs的谱系的特点是丰富多样的BH祖细胞，这只代表了一小部分（$< 10 - 20\%$）的所有BH种子星系在$z > 15$。
2021-06-15 astro-ph.GA
Supermassive Black Holes in the Early Universe
高红移类星体的发现对超大质量黑洞的起源提出了挑战。在这里，两个进化的情况被认为是。第一个是关于局部宇宙中的大质量黑洞，其中绝大多数是由种子的生长形成的，因为它们的宿主星系是按照层次图组装的。在第二种情况下，种子质量约100-150 M？通过气体的吸积形成一个不稳定的大质量盘，其存在得到了高z类星体中大量气体和尘埃的检测的支持。这些非稳态自引力盘模型很好地解释了类星体在高z时观测到的“亮度-质量”关系，也表明这些物体在所谓的爱丁顿极限下不辐射。
2020-01-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
Turbulent Cold Flows Gave Birth to the First Quasars
由超大质量黑洞（SMBHs）提供能量的类星体是如何在宇宙大爆炸后不到10亿年形成的，在它们被发现$^{1-4}$ 20年后，仍然是天体物理学中悬而未决的问题之一。宇宙学模拟表明，如果这些类星体在出生时是10 $^4$ - 10 $^5$ M $_{\odot}$，但无法解决它们的形成$^{5-8}$，那么在低切变环境中，罕见的冷流会聚在原始晕上可能会创造这些类星体。对原始类星体的祖先晕的半分析研究发现，它有利于形成这样的种子，但无法验证是否真的出现了$^9$。在这里，我们表明，在罕见的强，冷吸积流收敛的光环创建大量的BH种子，而不需要紫外线背景，超音速流运动，甚至原子冷却。冷流在晕中驱动剧烈的超音速湍流，阻止恒星形成，直到它达到一个质量，触发突然的灾难性重子坍缩，形成31，000和40，000 M $_{\odot}$恒星。这个简单而强大的过程确保了能够通过z $>$ 6形成类星体的晕产生大量的种子。因此，第一批类星体是冷暗物质宇宙学中结构形成的自然结果，而不是之前认为的$^{10-14}$那样的外来的、微调的环境。
2022-07-11 astro-ph.GA astro-ph.HE
The descendants of the first quasars in the BlueTides simulation
已知质量为10亿太阳质量或更大的超大质量黑洞存在于$z=7$。然而，第一类类星体后代的现今环境并不清楚，也不知道它们是生活在大质量星系团中还是生活在$z=0$的孤立星系中。我们使用一个暗物质的唯一实现（BTMassTracer）的BlueTides宇宙流体动力学模拟研究的最大质量的黑洞在$z=8$的后代的晕属性。我们发现，具有最大质量黑洞的类星体的后代并不属于最大质量的晕。它们存在于类团（$\sim 10^{14}M_{\odot}$）质量的晕中，而模拟中最大质量的晕是质量为$\sim 10^{15} M_{\odot}$的富团。低红移的晕质量分布与质量最小黑洞的后代相似，PDMATHAMO的晕质量范围相似，这表明它们可能存在于类似的环境中。通过追溯$z=0$最大质量（星团大小）晕的$z = 8$祖先，我们发现它们最有可能的黑洞质量小于$10^7 M_{\odot}$ ;它们显然不是最大质量的黑洞之一。我们还提供了估计的可能性，找到一个高红移类星体托管黑洞的质量以上$10^{7} M_{\odot}$为一个给定的晕质量在$z=0$。对于大于$10^{15} M_{\odot}$的晕，它们的$z=8$祖先拥有一个质量大于$10^{7} M_{\odot}$的黑洞的概率只有$20 \%$。
2017-08-10 astro-ph.CO astro-ph.GA
Do z>6 quasars reside in protoclusters?
INAF - Astronomical Observatory of Trieste（意大利国家天体物理研究所的里雅斯特天文台）；IFPU - Institute for Fundamental Physics of the Universe（宇宙基础物理研究所）；INAF - Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna（意大利国家天体物理研究所博洛尼亚天体物理学与空间科学观测站）；Tianjin Astrophysics Center, Tianjin Normal University（天津师范大学天津天体物理中心）；EPFL - Institute for Physics, Laboratory for Galaxy Evolution（洛桑联邦理工学院物理学院星系演化实验室）
研究通过GAEA模型和Planck Millennium Simulation探讨红移大于6的亮类星体宿主星系的环境和演化，发现其与本地宇宙中最大暗物质晕的前身关系不大，但需更多环境信息以识别潜在原星团候选者。
2026-03-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
Evidence for heavy seed origin of early supermassive black holes from a z~10 X-ray quasar
研究借助Chandra数据在z≈10.3透镜星系中发现超大质量黑洞，其质量与宿主恒星质量相当，为早期黑洞起源于重种子提供观测证据。
2023-09-25 astro-ph.GA astro-ph.HE
Growing the first bright quasars in cosmological simulations of structure formation
利用宇宙流体动力学模拟方法研究了高红移质量黑洞在引力波辐射的反冲作用下的生长过程。我们选择了最大的暗物质晕在z=6从千年模拟，并重新模拟其形成在更高的分辨率，包括气体物理和BH播种，生长和反馈的模型。假设初始黑洞种子的质量相对较大，约为10^5兆太阳，并且种子在质量为10^9-10^10兆太阳的暗物质晕中的z~15附近产生，我们发现，在扩展的爱丁顿限制吸积期内，有可能在z=6时建立超大质量黑洞（SMBH），并将其大部分质量聚集起来。模拟SMBHs的属性是一致的z=6类星体的观测估计BH质量和热光度，恒星形成的数量内发生的主机晕，和存在的高度富集的气体在最里面的区域的主机星系。在BH吸积速率在z=6处达到峰值之后，最大质量的BH已经变得足够大，以使生长进入反馈调节吸积的慢得多的阶段。我们探讨了整个范围内的预期反冲和辐射效率，也考虑模型与自旋BH。在最“悲观”的情况下，BH自旋最初很高，我们发现，SMBHs的增长可能会受到阻碍，如果他们主要是孤立的增长和经验，只有少量的合并。虽然BH反冲可以排出相当大一部分低质量BH，但它们不会显著影响SMBH的积聚。相反，大量的BH合并通过显著降低它们的自旋而对SMBH的增长具有有益的后果。[摘要]
2009-08-02 astro-ph.CO astro-ph.GA
The nature of low-luminosity AGNs discovered by JWST based on clustering analysis: progenitors of low-$z$ quasars?
本研究通过成团分析发现JWST在高红移处发现的低光度宽线AGN寄主暗物质晕质量远低于普通类星体，可能是低红移类星体的前身天体，为理解早期超大质量黑洞演化提供新约束。
2024-12-12 astro-ph.GA
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
Merging gas-rich galaxies that harbor low-luminosity twin quasars at z = 6.05: a promising progenitor of the most luminous quasars
本研究利用 ALMA 观测了 z = 6.05 处的一个低光度类星体对系统，发现其具有极高的气体质量、恒星形成率、潮汐相互作用及快速外流特征，模拟表明其并合后将演化为早期宇宙中最明亮、最极端的星暴类星体之一。
2024-08-22 astro-ph.GA
The Black Hole Mass Function Across Cosmic Times II. Heavy Seeds and (Super)Massive Black Holes
这是第二个文件在一系列旨在模拟黑洞（BH）的质量函数，从恒星的（超）大质量制度。在目前的工作中，我们专注于（超）大质量黑洞，并提供了一个从头计算的质量函数跨宇宙时间。我们认为两个主要的机制，以增长的中央BH，预计将合作的高红移恒星形成的本地大质量星系的祖先。第一个是气体动力学摩擦过程，它可以导致起源于富含气体的主祖星系中恒星形成的强烈爆发期间的恒星质量BH向核区域迁移，并在短时间尺度$10^7$年的$\lesssim$内积累中心重BH种子$M_\bullet\sim 10^{3-5}\, M_\odot$。第二种机制是标准的爱丁顿型气体盘吸积到重BH种子上，通过这种机制，中心BH可以在宿主的典型恒星形成持续时间$\lesssim 1$ Gyr内变成（超）大质量$M_\bullet\sim 10^{6-10}\, M_\odot$。我们通过再现观测到的红移相关的热辐射AGN光度函数和爱丁顿比分布，以及恒星形成和吸积中心BH的热辐射光度之间的关系来验证我们的半经验方法。然后，我们通过广义连续性方程的方法推导出不同红移下的残留（超）质量BH质量函数，并将其与目前的观测估计进行比较。最后，我们重建的整体BH质量函数从恒星（超）大质量制度，超过十个数量级的BH质量。
2022-06-15 astro-ph.CO 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
Massive Black Holes Seeded by Dark Matter -- Implications for Little Red Dots and Gravitational Wave Signatures
John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院）；Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所）；Theory Division, Fermilab（费米实验室理论部）；Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago（芝加哥大学卡弗里宇宙物理学研究所）；Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University（北京大学卡弗里天文学与天体物理研究所）
研究高红移超大质量黑洞观测挑战下的标准播种情景，利用耗散性自相互作用暗物质模型及半解析框架预测其群体性质，再现相关天体并给出占空比，其引力波信号可被探测，为探测隐藏领域物理提供途径。
2026-07-23 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Insights into physical conditions and magnetic fields from high redshift quasars
我们使用档案WISE和斯皮策测光，推导出一个遥远的类星体样品在z ~6的光学线通量。我们发现了异常高的等效宽度[OIII]发射（静止坐标系EW ~400 <$）的证据，类似于在类似的红移下推断的恒星形成星系。Halpha和Hbeta的等效宽度中值分别为~ 400 μ m和100 μ m，这与在局域宇宙和z ~2的类星体中观察到的值一致。在考虑了类星体宽线区域光电离的贡献后，我们认为OIII发射对应于强的窄线发射，可能是由于类星体宿主中大量恒星形成而产生的反馈。高的[OIII]/H β谱线比可以用辐射激波模型来解释，并转化为磁场强度约为8微高斯，激波速度约为400 km/s。我们的测量结果表明，在宇宙年龄小于10亿年的时候，星际介质中存在着强的、相干的磁场。将我们估计的磁场强度与星系尺度场演化的模型进行比较，有利于超过0.1微高斯的高种子场强度，这是对此类场的第一个观测约束。这个高值有利于种子磁场在星系形成的早期阶段由湍流产生的场景。詹姆斯·韦伯太空望远镜即将进行的中红外光谱分析将有助于进一步限制类星体宿主的物理条件。
2022-07-15 astro-ph.GA
Close companions to two high-redshift quasars
我们报告了两个高红移类星体的同伴星系的偶然发现。SDSS J025617.7+001904是一个z=4.79的类星体，包含在我们最近对SDSS Stripe 82区域的暗类星体的调查中。最初的MMT狭缝光谱显示，过量的莱曼α发射远远超出了类星体的光分布。进一步的LBT/MODS 1成像和光谱分析证实了在距离类星体2arcsec（12 kpc投影）处存在一个明亮的星系（iAB = 23.6），在类星体的红移处有很强的Lyman α发射（EW 0 ~ 100 Ang），并有微弱的连续谱。第二个类星体CFHQS J005006.6+344522（z=6.25）是我们最近对z~6类星体进行的HST SNAP巡天中寻找引力透镜证据的一个类星体。ACS和WFC 3的深度成像证实了在0.9角秒的分离处，比类星体（Y_AB=25）暗约4.5等的光学衰减。该星系的红色i_775-Y_105颜色和它与类星体的接近程度（如果在类星体红移处，则投影为5 kpc）强烈支持与类星体的关联。虽然它比类星体暗得多，但与这个红移的场星系相比，它非常明亮，同时没有显示出透镜效应的证据。这两个系统可能代表了两个大质量星系合并的后期阶段，其中一个星系的观测光主要由强大的恒星形成和另一个星系的快速黑洞增长所主导。观测到的密切的同伴是罕见的;如果主要的合并是主要负责高红移类星体燃料，那么当祖星系可以观察到明亮的同伴的阶段是相…
2014-09-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
Growth of Light Seed Black Holes in the Early Universe
Department of Physics, Maynooth University（梅努斯大学物理系）
本文研究了早期宇宙中轻量种子黑洞通过新型种子处方和高分辨率模拟快速增长到10^4倍太阳质量的现象，为解释JWST观测和未来引力波探测提供重要依据。
2026-01-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
On the Prevalence of Super-Massive Black Holes over Cosmic Time
研究了原始星系晕中超大质量黑洞种子的丰度。我们探讨的假设，暗物质晕超过临界晕质量M_c有一定的概率p已经产生了SMBH种子。目前对本地中等质量星系的观测限制了这些参数：对于$M_c=10^{11}M_\odot$，所有的晕都必须被播种，但是当采用较小的M_c质量时，播种的效率要低得多。这些限制也降低了局域和高红移宇宙中黑洞的数量密度。z~6类星体的空间密度取决于它们的典型晕质量，而晕质量可以通过计算附近的Lyman Break Galvanes和Lyman Alpha Emitter来限制。对于这两个观测值，我们的模拟表明，单场预测太多样化，使明确的声明，在文献中的混合索赔协议。如果类星体不局限于最大质量的宿主晕，它们可能只占SMBH总体的一小部分（约10^-5）。最后，我们从SMBH合并产生了广泛的引力事件的预测。我们定义了一个新的LISA诊断图来测量SMBH空间密度和晕并与黑洞并合之间的典型延迟。虽然以前的工作已经探讨了具体的情况下，我们的结果保持独立的种子机制，种子质量，遮蔽，加油方法和占空比。
2019-01-14 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
From the first stars to the first black holes
第一个z > 6的超大质量黑洞（SMBH）的生长仍然是理论模型的一个重大挑战。如果它从第三星族恒星的黑洞（BH）残余（质量约为100 Msun的光种子）开始，它需要超级爱丁顿吸积。另一种途径是从气体直接坍缩到~ 10^5 Msun BH上形成的重种子开始。在这里，我们调查的相对作用轻，重的种子BH祖细胞的第一SMBHs。我们用宇宙学的、数据约束的半解析模型GAMETE/QSOdust模拟了几个z > 6类星体的独立合并历史。使用物理驱动的处方，以形成轻和重的种子在祖星系，我们发现，形成几个重的种子（在我们的参考模型3和30之间），使爱丁顿有限的增长SMBH在z > 6。这一结论敏感地依赖于化学，辐射和机械反馈效应之间的相互作用，这很容易消除的条件，允许抑制气体冷却的低金属含量的气体（Z < Zcr and JLW >Jcr）。我们发现，重种子不能形成，如果尘埃冷却触发气体破碎超过一个临界的尘埃与气体的质量比（D > Dcr）。此外，轻和重种子的相对重要性取决于所采用的轻种子的质量范围，因为这极大地影响了沿合并树的冷气的历史，由SN和活动星系核驱动的风。
2016-01-28 astro-ph.GA
The sustainable growth of the first black holes
超爱丁顿吸积被认为是宇宙大爆炸后8亿年$10^9 \, M_\odot$超大质量黑洞的可能形成途径。然而，来自BH种子祖星的恒星反馈和来自BH吸积盘的风可能会降低BH吸积速率。在这项工作中，我们研究了这些物理过程的影响，形成的$z \sim 6$类星体，包括新的物理处方的宇宙学，数据约束的半解析模型GAMETE/QSOdust。我们发现，第一恒星祖先对周围环境产生的反馈并没有起到相关的作用，防止SMBHs的形成。为了生长$z \gtrsim 6$ SMBH，吸积气体必须有效地失去角动量。此外，盘风，很容易起源于超爱丁顿吸积制度，可以大大降低占空比。这导致$z\sim6$明亮类星体的祖星中的活跃部分减少，从而降低了观测它们的可能性。
2017-06-20 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
What if young z>9 JWST galaxies hosted massive black holes?
JWST正在发现光度红移为$z>9$且衰减很小的恒星形成“候选”星系。我们在这样的星系中建立了假定的大质量黑洞（MBH）模型，发现它们的无遮蔽发射比JWST滤波器中的星系星光更微弱，并且难以通过颜色选择以及X射线和射电观测来检测。只有MBH相对于预期的星系标度关系过大，以高爱丁顿速率吸积，才能被探测到。他们的发现将指向重MBH种子的存在，但需要注意排除较轻种子的存在，因为在这种类型的星系中只能检测到超大质量的MBH。相反，如果这些星系中没有超大质量的MBH，那么要么没有重的种子，要么它们很罕见。质量最大/红移最高的候选星系如果沿着SFR质量序列生长，可以在z~6处达到超过5e 10 Msun的恒星质量，并且可以在z~6处养育从~ 1 e5 Msun到> 3e 7 Msun的MBH，成为一些z>6类星体的宿主。log（M_{gal} /Msun）~8的候选星系不能快速生长它们的假定种子，除非种子大于1 e6 Msun。JWST候选星系的数量密度远远超过了z最高的类星体宿主，这使得每1000个这样的星系中只有1个明亮的z~6-7类星体。
2023-03-03 astro-ph.GA astro-ph.HE
Reconstructing PTA measurements via early seeding of supermassive black holes
Colgate University（科尔盖特大学）；University of Auckland（奥克兰大学）
基于脉冲星计时阵列纳赫兹信号可能由超大质量黑洞双星主导及高红移类星体观测，计算早期种子超大质量黑洞对PTA信号的影响，探讨暗星坍缩等种子形成机制，表明暗星种子SMBH或为主要贡献者并给出设定种子数密度上限的方法。
2026-07-28 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
High-redshift SMBHs can grow from stellar-mass seeds via chaotic accretion
质量为$M_{\rm BH} > 10^9 M_\odot$的超大质量黑洞在更高的红移下被观测到。这些结果对早期黑洞的形成和增长机制产生了更严格的限制。在这里，我们表明，即使是已知的最极端的黑洞，Pōniu 'ena，可以从一个$10 M_\odot$种子黑洞通过Eddington有限的发光吸积增长，提供的吸积几乎连续进行，但由大量的情节与单独的不相关的初始方向。这种混沌的吸积场景确保了生长中的黑洞旋转缓慢，具有无量纲的自旋参数$a \lesssim 0.2$，因此它的辐射效率也很低，$ε\simeq 0.06$。如果吸积是部分对齐的，其中$20-40\%$的吸积事件发生在同一方向，黑洞的自旋和辐射效率要高得多，导致明显较慢的增长。我们认为，只有在Pōniuuena之前约$150$ ~Myr的$z \geq 9.1$发现了一个$10^9 M_\odot$黑洞，混沌吸积方案才能被完全证伪.极端类星体的空间密度表明，只有非常小的一部分，大约是$4 \times 10^7$中的一个种子黑洞需要遇到有利的生长条件才能产生观测到的极端类星体。其他种子黑洞的生长效率要低得多，主要是由于占空比较低，因此更难以检测。
2021-01-01 astro-ph.GA
Host galaxies of high-redshift quasars: supermassive black hole growth and feedback
类星体宿主星系的性质可能由其超大质量（SMBH，$10^{8-10}$ M $_{\odot}$）黑洞的生长和反馈决定。我们调查这样的连接与一套宇宙学模拟的大规模（晕质量$\approx 10^{12}$ M $_{\odot}$）星系在$z\simeq 6$，其中包括一个详细的亚网格多相气体和吸积模型。初始质量为$10^5$ M $_{\odot}$的BH种子主要通过气体吸积生长，并且通过$z=6$设置在所观察到的$M_{\rm BH} - M_{\star}$关系上而不需要增强因子而变成SMBH。虽然类星体反馈对SMBH的增长起着关键性的控制作用，但它对$z=6$中宿主星系性质的影响可以忽略不计。在我们的模型中，类星体活动既可以淬灭（通过气体加热），也可以增强（通过ISM过压）恒星的形成。然而，我们发现，恒星形成的历史是不敏感的调制，因为它在很大程度上占主导地位，至少在$z>6$，冷气体吸积的环境，不能阻碍类星体的能量沉积。虽然类星体驱动的外流可以达到$> 1000~\rm km~s^{-1}$的速度，但实际上只有$\approx 4$ %的外流气体质量可以从宿主星系逃逸。这些发现只是受到现有数据的松散限制，但可以指导观测活动在早期星系中寻找类星体反馈的签名。
2021-07-12 astro-ph.CO astro-ph.GA
The environments of high redshift radio galaxies and quasars: probes of protoclusters
我们使用GALFORM半解析模型来研究射电星系和类星体在高红移下的高密度区域。我们探讨重子物理学对这些环境中星系性质的影响。恒星形成的发射线星系（Lyα和Hα发射体）被用来探测高红移的环境。射电星系被预测由比类星体更大质量的晕所承载，这是由星系超密度和交叉关联函数的振幅所决定的。我们发现Lyα辐射转移和活动星系核反馈间接影响小尺度上的成团，并影响致密环境中星系的恒星质量、恒星形成率和气体金属丰度。我们还研究了与射电星系和类星体有关的原星系团与它们现在的星系团后代之间的关系。与射电星系和类星体相关的大质量星系团的祖先使我们能够以简单的方式确定原星系团的平均大小。原星团内的超密度被发现与晕后裔群众。我们提出了可应用于观测数据的标度关系。通过计算投影效应，由于现代光谱仪和窄带滤波器的波长分辨率，我们表明，前者有足够的光谱分辨率来映射原星系团的结构，而后者可以用来测量集群周围的射电星系和类星体在更大的尺度，以确定质量的暗物质晕托管它们。
2015-12-10 astro-ph.CO astro-ph.GA
Probing Early Super-massive Black Hole Growth and Quasar Evolution with Near-infrared Spectroscopy of 37 Reionization-era Quasars at 6.3 < z <= 7.64
本文报道了在$6.3< z\le7.64$红移范围内的37个类星体的近红外光谱观测结果，其中包括32个在$z>6.5$的类星体，形成了在该红移范围内最大的类星体近红外光谱样本。光谱，采取与凯克，双子座，VLT，麦哲伦，允许调查的中心黑洞质量和类星体的休息框架紫外光谱特性。从Mg II发射线导出的黑洞质量在$(0.3-3.6)\times10^{9}\,M_{\odot}$范围内，这需要质量为$\gtrsim10^{3-4}\,M_{\odot}$的大质量种子黑洞，假设爱丁顿吸积自$z=30$。爱丁顿比分布的峰值在$λ_{\rm Edd}\sim0.8$，平均值为1.08，表明这些类星体的吸积速率很高。在我们的样品中的CIV-Mg II发射线速度差异显示CIV蓝移向更高的红移增加，但从该样品观察到的演化趋势弱于以前在类似红移下从较小样品观察到的结果。这些类星体的Fe II/Mg II的流量比推导出高达$z=7.6$，与以前的测量在不同的红移相比，没有显示出任何证据的强红移演化，这表明在这些类星体的金属富集环境。利用这个类星体样品，我们创建了一个类星体的复合光谱的$z>6.5$类星体，发现没有显着的红移演化的类星体宽发射线和连续斜率，除了蓝移的CIV线。我们的样品产生一个强的宽吸收线类星体的分数$\sim$ 24%，高于分数在较低的红移类星体样品，虽然这可能会受到小样本统计和选择效应。
2021-09-28 astro-ph.CO astro-ph.GA
Supermassive black hole ancestors
我们研究了一个模型，在这个模型中，超大质量黑洞（SMBH）可以通过重种子上的气体吸积以及重（m_s^h=10^5 Msol）和轻（m_s^l = 10^2 Msol）种子的合并的联合作用而生长。前者是气体在T_s^h > 1.5 × 10^4K、无H_2的晕中直接坍缩的结果;后者是标准的H_2基恒星形成过程的终产物。通过将晕暴露在由吸积黑洞和恒星产生的强（J_21 > 10^3）莱曼-维尔纳紫外背景下，从而建立了一个自我调节的生长机制，从而获得了无H_2条件。我们发现，在类星体诞生的高度偏置区域中，在z接近18时已经满足了这个条件。允许在z=6-7时形成SMBH的关键参数是可以形成重种子的晕的分数：最低要求是f_heavy>0.001;当f_heavy接近1时，可以获得高达2 × 10^10 Msol的SMBH。独立的f_heavy，该模型产生了一个高Z恒星的膨胀黑洞质量的关系，这是陡峭的比本地的，这意味着SMBHs形成之前，他们的膨胀到位。在类星体形成的环境中，莱曼-沃纳辐射反馈允许形成重种子，这对于在其演化的早期阶段（即z>7）通过合并事件实现SMBH的快速增长至关重要。紫外光子的产生主要是由星系中的恒星主导的，即黑洞吸积辐射是次主导的。有趣的是，我们发现在z=6时，类星体中轻BH和SMBH的最终质量大致相等;同时只有19%的初始重子含量转化为恒星。在z > 7.2的所有时期，…
2012-02-14 astro-ph.CO astro-ph.GA
Hunting the first Cosmic Giants: formation and detectability of Direct Collapse Black Holes around high-redshift quasars
University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Università degli Studi dell’Insubria（因苏布利亚大学）；INAF/Osservatorio Astronomico di Roma（罗马天文台国家 Astrophysics 研究所）；INFN, Sezione di Milano-Bicocca（米兰比可卡大学 INFN 分部）；Institute of Science and Technology Austria (ISTA)（奥地利科学与理工学院）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Institut d’Astrophysique de Paris, Sorbonne Université（巴黎天体物理研究所，索邦大学）
研究通过JWST观测探测高红移类星体周围可能存在的直接坍缩黑洞种子，揭示其形成机制与观测策略。
2026-07-24 astro-ph.GA
J1342+0928 Supports the Timeline in the R_h=ct Cosmology
类星体J1342+0928（z=7.54）的发现进一步证实了LCDM中与过早形成结构相关的时间压缩问题。采用普朗克参数，我们看到这个类星体在大爆炸后仅仅6.9亿年，在从Pop III到Pop II恒星形成的过渡后不超过几百万年。然而，传统的天体物理学会告诉我们，一颗由波普II/III超新星产生的10个太阳质量的种子，至少需要8.2亿年才能通过爱丁顿有限的吸积生长。LCDM的这一失败构成了它最严重的挑战之一，需要外来的“修复”，例如异常高的吸积率，或者创造巨大质量（~10^5太阳质量）的种子，这两种情况在本地宇宙或其他任何地方都没有见过。事实上，为了强调这一点，J1342+0928被认为是以大约爱丁顿的速度吸积，否定了任何试图解释其异常高质量的尝试。在本文中，我们的目的是证明，这个类星体的发现，而不是强烈证实了宇宙时间轴预测的R_h=ct宇宙。我们假设传统的爱丁顿有限的吸积和时间与红移的关系，在这个模型中计算时，种子需要开始增长作为其质量的函数，以达到观测到的质量J1342+0928在z=7.54。与标准模型中由于这个大质量类星体在其历史早期的出现而产生的张力相反，我们发现在R_h=ct宇宙学中，一个10个太阳质量的种子在z~15（再电离时代开始于t~ 8.78亿年）很容易在z=7.54时成长为8 x 10^8太阳质量的黑洞（t~1.65 Gyr）通过常规Eddington有限吸积。
2018-04-17 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
The hidden satellites of massive galaxies and quasars at high-redshift
使用宇宙学，辐射流体动力学模拟针对一个罕见的$\approx \, 2 \times 10^{12} \, \rm M_\odot$晕在$z \, = \, 6$，我们表明，大量的晕内的卫星星系的数量计数和内部属性的灵敏度调节相结合的本地恒星辐射反馈和强大的潮汐力。在第一次超新星爆发之前，辐射反馈就开始起作用，并导致星系的束缚不那么紧密。因此，当它们附着在主要的祖先上时，更容易受到潮汐剥离的影响，并且在明显较短的时间尺度上被潮汐破坏。因此，在母系统的维里半径内具有$M_{\rm \star} > 10^{7} \, \rm M_\odot$的卫星的数量相对于在没有恒星辐射反馈的情况下执行的相同模拟下降了多达$60 \%$。辐射反馈也会影响中央星系，其有效半径增加了一个因素$\lesssim 3$由于存在一个更广泛和扩散的恒星成分。我们认为，在大质量高红移星系附近的卫星的数量是恒星辐射反馈的强度的一个指标，并可以在极端的宇宙环境中的高红移类星体低得惊人。
2019-09-03 astro-ph.CO astro-ph.GA
Quasar Quartet Embedded in Giant Nebula Reveals Rare Massive Structure in Distant Universe
所有的星系都曾经经历过一个超亮的类星体阶段，这个阶段由一个超大质量黑洞的吸积提供动力。但由于这些事件是短暂的，类星体是罕见的物体，通常由宇宙学距离分开。在对红移z ~ 2的莱曼α辐射的观测中，我们发现了一个由四个类星体组成的巨星云物理协。这个星系位于一个相当密集的星系中，很可能是一个巨大的星系团的前身。发现四重类星体的概率估计约为10^-7，这意味着莱曼α星云与稀有原星团的位置之间存在物理联系。我们的发现意味着，在遥远宇宙中质量最大的结构中，存在着大量的冷致密气体（体积密度约为1 cm^-3）（质量约为10^11个太阳），这与当前的宇宙学模拟结果相矛盾。
2015-05-14 astro-ph.GA
Supercritical growth pathway to overmassive black holes at cosmic dawn: coevolution with massive quasar hosts
对高红移最亮类星体（$z > 6$）的观测表明，在这些时期，最大的超大质量黑洞（SMBH）相对于其宿主星系的质量往往比本地关系大得多，这表明它们经历了快速的早期增长阶段。我们提出了一个组装模型的SMBHs，最终在罕见的大规模$\sim10^{12}~M_{\odot}$主机晕在$z \sim 6-7$，应用动力学反馈处方BH吸积以上的爱丁顿率，由辐射流体动力学模拟的吸积流结构的长期演变。在组装过程中，这些晕的大流入速率使得$z \sim 6$能够形成$>10^9~M_{\odot}$ SMBH，即使从$z \sim 30$的恒星质量种子开始，甚至在存在降低BH进料速率的流出的情况下，特别是在早期。这种机制也自然地产生了一个高的黑洞-星系质量比的$> 0.01$之前，SMBH的质量达到$M_{\rm BH} > 10^9~M_{\odot}$的$z \sim 6$。这些快速生长的SMBH祖细胞足够明亮，可以被詹姆斯韦伯太空望远镜在宽范围的红移（$7 < z < 15$）上进行的观测所检测到，无论它们是如何被播种的。
2022-06-30 astro-ph.GA
Little Red Dots and their Progenitors from Direct Collapse Black Holes
University of Texas, Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Universität Heidelberg（海德堡大学）；Weinberg Institute for Theoretical Physics（温伯格理论物理研究所）；University of Toronto（多伦多大学）；Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics（邓普勒天文与天体物理研究所）；Space Telescope Science Institute（太空望远镜科学研究所）；Colby College（科尔比学院）
研究通过模拟直接坍缩黑洞，发现其能更好地解释小红点的光谱特征和宿主暗物质晕属性，强调气体-金属licity观测对约束LRD前身的重要性。
2026-01-10 astro-ph.GA
On the formation of the first quasars
对红移z>6的最明亮类星体的观测表明，大约在120亿年前就已经存在大量超大质量黑洞（大于10^9 Msun）。此外，观测到这些黑洞所在星系的星际介质是化学成熟的系统，其金属丰度（Z>Zsun）和尘埃质量（>10^8 Msun）与更演化的本地星系相似。第一批超大质量黑洞的快速生长与宿主星系的快速化学演化之间的联系是理论模型中最令人困惑的问题之一。在这里，我们回顾了最先进的理论模型，专注于这个问题，特别强调的条件，导致形成的类星体种子和他们随后的演变在z>6。
2017-03-10 astro-ph.GA
Pōniuā'ena: A Luminous $z=7.5$ Quasar Hosting a 1.5 Billion Solar Mass Black Hole
我们报告了在$z=7.515$（“Pōniu 'ena”）发现的发光类星体J1007+2115，来自我们的宽场再电离时代类星体调查。J1007+2115是$z>7.5$现在已知的第二个类星体，深入到再电离时期。这颗类星体是由$(1.5\pm0.2)\times10^9$ $M_{\odot}$超大质量黑洞（SMBH）提供动力的，这是基于双子座和凯克近红外光谱仪的宽MgII发射线轮廓。J1007+2115中的SMBH质量是$z=7.54$中类星体J1342+0928的两倍，$z=7.54$是目前类星体红移记录的保持者。在大爆炸后仅7亿年就存在如此巨大的SMBH，这对最早SMBH增长的模型提出了重大挑战。模型假设Eddington限制吸积和0.1的辐射效率需要一个黑洞的种子$\gtrsim 10^{4}$在$z=30$ $M_{\odot}$。这一要求表明，要么是由于直接坍缩而产生的大质量黑洞种子，要么是早期快速黑洞增长的超爱丁顿吸积和/或低辐射效率。在J1007+2115的Ly $α$谱线轮廓上测量了中性氢在星系际介质（IGM）中的吸收所留下的阻尼翼特征，发现它比J1342+0928和另外两个$z\gtrsim7$类星体的弱.我们估计IGM体积平均中性分数$\langle x\rm_{HI}\rangle=0.39^{+0.22}_{-0.13}$。这一数值范围表明，不同IGM视线方…
2020-06-24 astro-ph.GA
Identifying Direct Collapse Black Hole Seeds through their Small Host Galaxies
对高红移类星体的观测表明，质量大于${\sim}10^9~M_\odot$的超大质量黑洞（SMBH）是在大爆炸后的前10亿年内聚集起来的。目前还不清楚如此大质量的黑洞是如何如此早形成的。一种可能的解释是，这些SMBH是由质量为$M_{\rm BH}\approx10^5~M_\odot$的“重”直接坍缩黑洞（DCBH）播种的，但观测尚未证实或反驳这种情况。在这封信中，我们利用宇宙学N体模拟来证明，在它们的质量增长大约一个数量级之前，DCBH的黑洞质量与晕质量之比将远远高于人口III（Pop III）恒星的黑洞残余物的预期，这些恒星已经增长到相同的质量（${\sim}10^6~M_\odot$）。我们还表明，当$T_{\rm vir}\approx 10^4~{\rm K}$晕（DCBH形成的潜在地点）合并与更大的附近的晕（$M_{\rm h} > 10^{10}~M_\odot$），他们几乎总是轨道与几个千秒差距，这是足够的空间分辨率与未来的X射线和红外望远镜的较大的主机晕。因此，我们建议，未来的X射线任务，如Lynx结合红外观测将能够区分高红移DCBH较小的黑洞种子由于异常高的黑洞质量恒星质量比的最微弱的类星体，推断BH质量低于${\sim} 10^6 M_\odot$。
2018-09-05 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
On the Accretion Rates and Radiative Efficiencies of the Highest Redshift Quasars
我们估计了超大质量黑洞的吸积率，这些黑洞为20个z>5.8的最高红移类星体提供动力，包括迄今为止已知的最高红移类星体--z=7.09的ULAS J1120。分析是基于观测到的（静止坐标系）光学光度和可靠的“维里”估计的BH质量的类星体，并利用来自薄吸积盘理论的标度关系。通过假设盘的质量吸积率范围很广，dM_disk/dt~4-190 Msol/yr，大多数天体（80%）的dM_disk/dt~10-65 Msol/yr，证实了吸积流的Eddington限制性质。通过将我们对dM_disk/dt的估计与类星体的热光度的保守下限相结合，我们研究了η的哪些替代值最能解释所有可用的数据。我们发现，绝大多数类星体（约85%）可以用η~0.03-0.3范围内的辐射效率来解释，其中值接近通常假设的η=0.1。在这个范围内，我们得到ULAS J1120和SDSS J 0100的保守估计η>0.14（z=6.3），SDSS J1148的保守估计η>0.19（z=6.41;假设它们的BH质量是准确的）。吸积时间尺度一般在t_acc = M_BH / dM_BH/dt ~0.1-1 Gyr范围内，表明大多数类星体自BH种子形成以来可能有~1-10次质量e折叠。因此，我们的分析表明，最高红移类星体的可用光度和质量可以解释自洽内薄，辐射效率的吸积盘范例。辐射效率低的“超临界”吸积可能发生在更早的时期（即，z…
2017-02-04 astro-ph.CO astro-ph.GA
New quasar proximity zone size measurements at $z\sim 6$ using the enlarged XQR-30 sample
利用扩大后的XQR-30样本，在红移5.8-6.6处测量了22个类星体邻近区大小，发现其与红移、光度或黑洞质量相关性弱，表明类星体寿命差异大，并首次纳入连续谱不确定度，为约束类星体寿命和黑洞种子提供数据。
2023-05-01 astro-ph.CO astro-ph.GA
Glimmering in the dark: modeling the low-mass end of the $M_{\bullet}-σ$ relation and of the quasar luminosity function
$M_{\bullet} - σ$关系建立了中心黑洞（BH）和它们的宿主球状体之间的联系。在$M_{\bullet} \gtrsim 10^5 \, M_{\odot}$的观察结果支持下，关于其在较低质量下的有效性的数据有限。采用半解析模型来模拟黑洞和它们的宿主星系的联合演化，我们预测的观测结果，假设双峰的吸积效率的黑洞，与低质量黑洞（$M_{\bullet} \lesssim 10^5 \, M_{\odot}$）吸积无效。我们预测在过渡BH质量$\sim 10^5 \, M_{\odot}$时偏离$M_{\bullet} - σ$关系，较低质量的BH无法达到关系所规定的质量，并与宿主星系的演化断开。这个预测是一个替代以前的作品，建议在$\sim 10^5-10^6 \, M_{\odot}$的关系扁平化。此外，我们预测赤字的BH闪耀在热光度$\sim 10^{42} \, \mathrm{erg \, s^{-1}}$。再加上检测偏差，这可以部分解释检测到的中等质量黑洞数量很少。相反，我们预测在较低的辐射热光度，$<10^{42} \, \mathrm{erg \, s^{-1}}$源密度的增加。因为我们的预测假设一个双峰人口的高红移BH种子，未来的观测较暗的BH将是根本的约束这些种子的性质。
2018-08-28 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
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 growth of the gargantuan black holes powering high-redshift quasars and their impact on the formation of early galaxies and protoclusters
本研究通过修改FABLE模型加入早种子、超爱丁顿吸积机制，模拟出高红移巨型黑洞，验证了其与观测数据的吻合性，揭示了类星体反馈对星系周介质的污染及可观测信号约束作用。
2023-11-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
Supermassive Black Holes in the Early Universe
最近发现的红移为6.3的超铝质类星体SDSS J010013.02+280225.8，加剧了大爆炸后仅约9亿年，仅在Pop II和III星形成后约5亿年出现的超大质量黑洞所暗示的时间压缩问题。除了预示着宇宙再电离的开始，这些第一代和第二代恒星可以合理地产生大约5-20个太阳质量的种子，最终成长为z~6-7类星体。但是这个过程需要大约9亿年的时间，这个时间轴似乎与LCDM的预测不一致，因为它没有异常高的吸积速率，也没有大约10^5个太阳质量的种子的奇异创造。没有任何证据表明这两种情况发生在本地宇宙中。在本文中，我们表明，一个更简单，更优雅的解决方案，超大质量黑洞异常，而不是使用的年龄红移关系的R_h=ct宇宙，一个FRW宇宙学预测的零活动质量。在这种背景下，宇宙再电离从t~ 8.83亿年持续到t ~2亿年（z~15到z~6），因此，在再电离开始后不久形成的约5-20个太阳质量的黑洞种子，仅仅通过标准的爱丁顿极限吸积速率，就可以在z~6-7演化成约10^10个太阳质量的类星体。这些观测结果与R_h=ct预言的年龄-红移关系的一致性支持暗能量的存在，但不是以宇宙学常数的形式。
2015-11-17 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
BAQARO: Tracing Stochastic Black Hole Growth Histories and Quasar Lightcurves in a Cosmological Context
Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian（天体物理中心 | 哈佛与史密森尼学会）；Leiden Observatory, Leiden University（莱顿天文台，莱顿大学）；Department of Physics, University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校物理系）
BAQARO是一个半经验黑洞增长框架，利用FLAMINGO-10k模拟的亚晕合并树，通过六个参数再现观测约束，揭示黑洞通过随机超爱丁顿吸积快速增长，并合通道在低红移时变得重要。
2026-09-14 astro-ph.CO astro-ph.GA
