Merge or survive: Number of Population III stars per minihalo
通过数值实验研究了第三星族星在质量吸积阶段的形成过程。原始气体的正压关系和人工硬化的状态方程在非常密集的地区($> 10^{15}~{\rm cm}^{-3}$),使我们能够跟踪PopIII拱星盘的碎片和合并过程的碎片。星盘在引力作用下变得不稳定而碎裂,接着是一个通常在100年内的快速合并过程,这大致相当于环星盘的一个轨道时间。我们还发现,分裂的气体盘周围的多个系统,一个circumbinary磁盘,是罕见的,但是,它是经常在磁盘周围的一个单独的原恒星。我们还进行了模拟与标准的水槽粒子,水槽粒子的数量和总质量是在粗略的协议与刚性状态方程运行。基于这些数值结果的结果,我们用一个简单的唯象方程来模拟碎片数量的演化。我们发现碎片的平均数量大致与$t^{0.3}$成正比,其中$t$是第一颗原恒星形成以来所经过的时间。接下来,我们将这一趋势与一些已发表的数值研究进行了比较,根据系统的无标度性质缩放经过的时间。结果表明,文献中的大多数结果与该关系式吻合得很好。目前的研究结果结合以前的研究文献中暗示,PopIII恒星往往不是作为单一的恒星诞生,而是在多个系统。
2019-04-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Role of Radiation and Halo Mergers in Pop III Star Formation
本研究通过模拟宇宙黎明时期原初微晕的演化,发现辐射会提高恒星形成所需的最小晕质量,并揭示了一种由贫气体晕与富气体晕混合合并加速第三族恒星形成的新机制,重新定义了大合并在此时期的作用。
2023-10-16 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Delay of Population III Star Formation by Supersonic Streaming Velocities
最近已经证明,暗物质和气体之间的相干相对流动速度为30 km / s,在复合后直接渗透到宇宙中,其尺度低于几Mpc。在这里,我们使用一系列高分辨率的移动网格计算表明,这些超音速运动显着影响的气体在minihalos的维里化,并延迟第一颗恒星的形成。当气体以约1 km / s的速度在z ~ 20处进入微晕时,额外的动量和能量输入降低了晕的气体分数和中心密度,使有效冷却所需的典型维里质量增加了三倍,并将星族III恒星的形成延迟了dz ~ 4。由于流速大小的分布在一个不可忽略的值附近有一个狭窄的峰值,这种效应在宇宙的大多数区域都很重要。因此,最小晕质量的增加意味着可以预期冷却并形成第三星族恒星的小晕的绝对数量减少了一个数量级。我们进一步发现,流动的速度增加了微晕气体的湍流速度色散,这可能会影响其破碎的能力,从而改变第一颗恒星的质量函数。
2011-05-23 astro-ph.CO
Fragmentation in Population III Galaxies formed through Ionizing Radiation
在小晕中形成的第三星族恒星往往相对效率较低,每个小晕都有一颗或少量比本地恒星质量更大的恒星,但在高红移下直接观测仍然具有挑战性。在这里,我们探讨了一种可能的机制,产生较大的集群这样的恒星:附近的电离源电离后期形成的晕,延迟其崩溃,直到晕足够大,核心可以自我屏蔽,遭受失控崩溃。我们使用一个简单但准确的辐射电离通量模型进行模拟,并证实了以前工作的基本预测:较高的电离通量可以延迟坍缩到较低的红移和较高的质量,高达原子冷却极限以上的数量级。在有限数量的运行中,我们还研究了更高分辨率的核心碎片,使用简单的估计和下沉粒子,以表明碎片的数量一般很小,最多只有几个,并且碎片上的质量吸积速率为$10^{-3}$ M $_\odot$ yr $^{-1}$。这个速率足够高,以至于主序的下降(从而抑制吸积)被延迟到恒星质量为$100-1000$ M $_\odot$,但还不足以产生质量为$\sim 10^5$ M $_{\odot}$的直接坍缩黑洞。由此产生的集群比迷你光环中产生的集群更大,但仍然可能无法在JWST盲场中轻易检测到。
2019-07-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
Starbursts at Cosmic Dawn: Formation of Globular Clusters, Ultra-Faint Dwarfs, and Population III star clusters at z > 6
Stockholm University(斯德哥尔摩大学)
本文提出Anaxagoras模型,用于研究高红移时期低质量暗物质晕中的恒星形成,预测了银河卫星晕中数百个星系的形成及III型恒星团的形成情况。
2026-04-11 astro-ph.CO astro-ph.GA
The First Stars: Mass Growth Under Protostellar Feedback
我们进行三维宇宙学模拟,研究无金属,人口III(流行III)的辐射反馈下的恒星的增长。我们从z=100开始模拟,追踪气体和暗物质的演化,直到第一个微晕的形成。然后,我们跟踪微晕内气体的坍缩,直到密度达到n = 10^12 cm^-3,此时我们用一个下沉粒子来代替高密度粒子,以代表成长中的原恒星。我们模拟的原恒星发出的莱曼-沃纳(LW)辐射的影响,并采用射线跟踪计划,以遵循周围的H II区域在未来5000年的增长。我们发现,一个磁盘组装周围的第一个原恒星,辐射反馈将不会阻止磁盘进一步分裂,形成多个流行III星。中性氢的电离和H_2的光解离导致稠密气体被加热到几千开尔文,并且这个温暖的区域以气体声速向外膨胀。一旦这个温暖区域的范围变得与盘的大小相等,盘的质量就会下降,而对原恒星的吸积率就会降低一个数量级。当最大的汇增长到~ 20 M_sol而第二个汇增长到7 M_sol时,我们估计主汇在到达主层序时将接近~ 30 M_sol的渐近值。因此,我们的模拟表明,最有可能的结果是一个巨大的Pop III双星。然而,我们只模拟一个minihalo,和minihalo之间的统计变化可能是巨大的。如果Pop III恒星通常无法成长到超过几十个太阳质量,这将对早期宇宙中的对不稳定超新星的发生以及今天可观测到的最古老恒星中的Pop III化学特征产生重要影响。
2012-02-19 astro-ph.CO
The Formation of Supermassive Black Holes from Population III.1 Seeds. I. Cosmic Formation Histories and Clustering Properties
我们计算宇宙分布在空间和时间的形成地点的第一个,“流行III.1”恒星,探索一个模型,其中这些是所有超大质量黑洞(SMBHs)的祖先,看到在大多数大型星系的中心。Pop III.1恒星被定义为由暗物质微晕中的原始成分气体形成,微晕中的$\sim10^6\:M_\odot$与邻近的天体物理源隔离一个给定的隔离距离$d_{\rm{iso}}$。我们假设Pop III.1源是SMBH的种子,基于暗物质湮灭加热的原恒星支持,使它们能够吸积大部分的微晕气体,即,$\sim10^5\:M_\odot$。从$10 - 100\:\rm{kpc}$(适当距离)出发,探索$d_{\rm{iso}}$,预测了Pop III.1源和SMBH剩余数密度的红移演化. SMBH的局部$z=0$密度约束了$d_{\rm{iso}}\lesssim 100\:\rm{kpc}$(即,$3\:\rm{Mpc}$在$z\simeq30$处的共移动距离)。在我们模拟的($\sim60\:\rm{Mpc}$)$^3$共动体积中,Pop III.1恒星在$z=40$之后开始形成。它们的形成基本上是由PDMATHAMBMX到PDMATHAMBMY,由$d_{\rm{iso}}=100$到$50\:\rm{kpc}$完成的。我们遵循源演化到$z=10$,此时大多数SMBH与$\gtrsim10^8\:M_\odot$一起存在于…
2018-11-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
From Dark Matter Minihalos to Large-Scale Radiative Feedback: A Self-Consistent 3D Simulation of the First Stars and Galaxies using Neural Networks
针对第一代恒星与星系模拟需跨越大尺度的难题,提出用神经网络模拟小尺度单元的第三、第二星族恒星形成历史,实现大尺度LW背景与微晕并合过程的自洽模拟,精度较高且能复现更丰富的恒星形成特征。
2025-01-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
The First Galaxies: Chemical Enrichment, Mixing, and Star Formation
利用三维宇宙学模拟,我们研究了第一个星系之一的组装过程,该星系总质量为10^8 M_sun,在z = 10处坍缩。我们的主要目标是跟踪运输的重化学元素产生和分散的对不稳定超新星爆炸的一个minihalo的祖先。在这种程度上,我们将一个有效的算法到我们的光滑粒子流体动力学代码,近似模型湍流混合扩散过程。我们研究了这种混合,没有辐射反馈的人口III恒星,随后形成在邻近的minihalos。我们的模拟使我们能够约束第二代恒星形成的初始条件,在第一个星系本身,以及超新星爆炸后维里化的迷你晕内部。我们发现,大多数迷你晕仍然不受电离辐射或超新星遗迹的影响,而有些则被大量光热加热并富集到超临界水平,可能导致低质量的第三族甚至第二族恒星的形成。在新形成的星系中心,10 ^5 M太阳的冷而致密的气体均匀地富集到10^-3 Z太阳,处于坍缩状态,这表明一个星族II恒星的星团将形成。詹姆斯·韦伯太空望远镜可能探测到的第一批星系,因此已经包含了从较低红移中所熟悉的恒星星族。
2010-05-17 astro-ph.CO
The First Galaxies: Assembly with Black Hole Feedback
我们研究了第一个星系是如何组装的反馈下,从吸积到一个中央黑洞(BH),这是留下的第一代无金属恒星通过自洽,宇宙学模拟。来自第三星族(Pop III)恒星的BH残留物上的气体吸积,或来自高质量X射线双星(HMXB)的X射线辐射,也涉及Pop III恒星,影响第二代恒星的形成模式。我们跟踪的黑洞吸积率和相关的X射线反馈的演变开始与死亡的波普III祖星内的minihalo和随后的演变的黑洞的minihalo增长成为一个原子冷却星系。我们发现,从恒星质量BH的X射线光电离加热是能够淬火进一步恒星形成的主机晕在任何时候之前,晕进入原子冷却阶段。来自HMXB的X射线辐射,假设光度接近爱丁顿值,对恒星形成产生更强,更多样化的反馈。它会对主晕内的气体进行光加热,但也会促进星系际介质和附近迷你晕中分子氢的形成和气体的冷却,导致早期形成的恒星数量的净增加。我们的模拟进一步表明,从第一个黑洞的辐射反馈可能会强烈抑制早期黑洞的增长,从而约束超大质量黑洞形成的模型。
2012-04-26 astro-ph.CO
The Origin of Supermassive Black Holes from Pop III.1 Seeds
本文评述从Pop III.1种子形成超大质量黑洞的宇宙学模型,阐明暗物质湮灭驱动的增长机制及其对黑洞数密度、分布、并合和观测的预测。
2024-12-02 astro-ph.CO astro-ph.GA
Confined Population III Enrichment and the Prospects for Prompt Second-Generation Star Formation
人们普遍认为,第一颗第三星族超新星的核合成产物是决定后续恒星世代特征的催化剂。大多数关于最早期浓缩的工作都是假设第一批恒星质量极大,并且相关的超新星能量异常高,足以完全解开宿主宇宙微晕中的重子,并将合成的金属分散到星系际介质中。然而,最近的研究表明,第一批恒星实际上可能质量较小,其特征质量尺度为几十个太阳质量。我们提出了一个宇宙学模拟运输的第三族超新星合成的金属,假设它有一个能量为1 e51尔格,与标准的II型超新星兼容。一个年轻的超新星遗迹被插入在第一颗恒星的遗迹HII地区的自由膨胀阶段,并遵循40万年采用自适应网格细化和拉格朗日示踪粒子技术。超新星遗迹仍然部分被困在迷你晕和薄雪犁壳发展明显的不稳定性和指状。大约有一半的喷出物转向并落回晕的中心,其中1%的喷出物在3万年内到达中心,10%在1万年内到达中心。返回的喷出物和从宇宙网进入晕中心的原始细丝的平均金属丰度为0.001 - 0.01 Z_sun,但两者保持不混合,直到吸积到中央流体静力学核心上,在模拟结束时尚未解决。我们的结论是,如果第三星族恒星的极端质量较小,它们会迅速用金属富集宿主的小晕,并引发第二星族恒星的形成。
2015-05-01 astro-ph.CO astro-ph.HE
The first stars: formation of binaries and small multiple systems
我们调查的形成无金属,人口III(Pop III),恒星在一个minihalo在z ~ 20的平滑粒子流体动力学(SPH)模拟,从宇宙学的初始条件。采用分层放大的方法,我们获得了足够的数值分辨率,可以跟踪小晕中心的坍缩气体,直到数密度达到10^12 cm^-3。这使我们能够研究原恒星吸积到最初的流体静力学核心,我们表示为一个不断增长的汇粒子,在改进的物理细节。吸积过程,特别是它的终止,决定了第一批恒星达到的最终质量。原始初始质量函数(IMF)反过来在确定第一批恒星在多大程度上推动了早期宇宙演化方面发挥了重要作用。我们继续我们的模拟5000年后,第一个汇粒子已经形成。在此期间,一个圆盘状的结构围绕着第一颗原恒星组装。这个盘在重力作用下不稳定,形成明显的螺旋结构,并分裂成其他几个原恒星种子。在模拟结束时,一个小的多重系统已经形成,主要是一个质量为~ 40 M_Sun和~ 10 M_Sun的双星。如果Pop III恒星通常以双星或小倍数的形式形成,那么原始恒星形成的标准模型(其中单个孤立恒星被预测形成迷你晕)将不得不被修改。这将对第一批恒星的观测特征产生至关重要的影响,例如它们的核合成模式,以及可能的Pop III黑洞双星的引力波发射。
2009-11-25 astro-ph.CO
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
The Ultimately Large Telescope -- what kind of facility do we need to detect Population III stars?
詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射将为观测最高红移开辟一个新的窗口,达到z~15。然而,即使有了这个新的设施,第一批恒星仍然遥不可及,因为它们出生在小的迷你晕中,亮度太微弱,即使曝光时间最长也无法检测到。在本文中,我们调查的基本性质的最终大望远镜,一个设施,可以检测人口III恒星形成区在高红移。观测将在近红外线范围内进行,因此建议在月球上建立一个设施。一台仪器需要达到39等$_\mathrm{AB}$这样微弱的星等,对应的主镜直径约为100米。假设JWST NIRCam滤波器,我们估计Pop III源将在颜色-颜色空间中具有独特的签名,并且可以明确识别。
2020-10-12 astro-ph.CO astro-ph.GA
The formation of supermassive black holes from Population III.1 seeds. IV. Self-regulated seeding from supermassive star ionizing feedback
Chalmers University of Technology(查尔姆斯理工大学);INAF - Osservatorio Astronomico di Brera(意大利国家天体物理研究所布雷拉天文台);University of Modena & Reggio Emilia(摩德纳与雷焦艾米利亚大学);University of Oxford(牛津大学);University of Memphis(孟菲斯大学);Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian(哈佛史密松天体物理中心);Università degli Studi di Trieste(的里雅斯特大学);INAF - Osservatorio Astronomico di Trieste(意大利国家天体物理研究所的里雅斯特天文台);INFN, Sezione di Trieste(意大利国家核物理研究所的里雅斯特分部)
通过考虑第三族.1恒星周围HII区的R型膨胀和红移依赖性,建立反馈调节的隔离模型,预测了早期宇宙中超大质量黑洞的数密度约为0.2 cMpc^{-3},并讨论了双黑洞丰度与合并率。
2026-05-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Rotation and Internal Structure of Population III Protostars
我们分析了Greif等人(2012)最近的工作中进行的宇宙学模拟,该工作遵循Pop III恒星的早期生长和合并历史,同时分辨小至0.05 R_sol的尺度。这是第一组宇宙学模拟,以自洽地解决Pop III原恒星的旋转和内部结构。我们发现,流行III星下形成显着的旋转支持,这是保持模拟的持续时间。原恒星表面的自转速度约为开普勒自转速度的50%到接近100%。这些自转速率在经历多次恒星合并事件后仍然存在。在模拟的短时间内(~ 10年),原恒星几乎没有对流不稳定的迹象,而且它们的性质与它们的宿主微晕的性质几乎没有相关性。如果Pop III原恒星在这个环境范围内形成时具有高度的旋转支持,并且这种旋转支持维持足够长的时间,这对Pop III演化和核合成有着重要的意义,以及Pop III对不稳定超新星的可能性,以及第一颗恒星是否产生了伽马射线暴的问题。
2013-02-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
The observational signature of the first H II regions
我们使用三维光滑粒子流体动力学模拟与动态射线追踪计划,调查周围的大规模人口III星的minihaloes的第一H II地区的建立。我们跟踪到星系际介质的电离辐射的高度各向异性突破,使我们能够预测由此产生的复合辐射大大增加现实。我们的模拟,再加上新闻,Schechter型参数,使我们能够预测人口III的贡献,通过100 MHz的韧致辐射和21厘米的发射无线电背景。我们发现一个全球韧致辐射信号约为1 mK,和一个组合的21厘米的签名,这是一个数量级更大。两者都可能在计划中的平方公里阵列实验的范围内,尽管对自由发射的检测只是边缘性的。第一批恒星在宇宙无线电背景上的印记可能为我们提供为数不多的诊断方法之一,以测试难以捉摸的小晕恒星形成地点。
2009-10-20 astro-ph.CO
The Formation Rates of Population III Stars and Chemical Enrichment of Halos during the Reionization Era
宇宙中的第一颗恒星是由原始的原始气体云形成的,这些气体云通过分子或原子(莱曼-阿尔法)氢线辐射冷却到几百开氏度。一旦辐射和/或化学(金属富集)反馈标志着向第二星族恒星的过渡,这种恒星形成的原始模式最终会被淬灭。在本文中,我们提出了一个基于Press-Schechter模型的第三星族恒星的形成率模型,并结合了气体冷却和辐射反馈的分析方法。我们的模型还包括一种新的治疗金属污染的基础上,由于前一集的人口III恒星形成的祖晕自富集。有了这个模型,我们得到的恒星形成历史的第三族恒星,他们的贡献,宇宙的再电离和过渡的时间,从第三族恒星形成的小晕,在更大质量的晕,原子氢冷却也是可能的。我们考虑一个网格的模型,突出不同的自由参数的值,如恒星形成和反馈效率的影响。最关键的因素是假设只有一颗第三星族恒星形成于晕中。在这种情况下,不含金属的恒星只占宇宙重新形成所需光子总数的一小部分。此外,无金属恒星的形成主要位于微晕中,化学富集晕在宇宙生命的早期,在红移z~25处成为恒星形成的主要场所。如果允许多颗无金属恒星从一个光环中形成,那么第三星族恒星的形成就会全面增加,从而对再电离辐射预算做出重大贡献。
2009-01-06 astro-ph.CO
Detecting population III galaxies with HST and JWST
一小部分聚集在z<15的原子冷却晕可能是由从未经历过任何恒星形成的迷你晕形成的,原则上可能是由化学物质不丰富的恒星组成的小星系。由于探测孤立的第三族恒星的前景似乎黯淡,即使即将到来的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST),这些第三族星系可能提供一个最好的探测第三族恒星在可预见的未来。通过预测的结果从人口III星系模拟通过集群放大地图,我们预测的流量和表面数密度的流行III星系作为其典型的恒星形成效率的函数。我们认为,少量的透镜人口III星系原则上可以出现在z=7-10在正在进行的哈勃太空望远镜调查CLASH,其中包括共25个低红移星系团。
2012-06-25 astro-ph.CO
The First Stars: A Low-Mass Formation Mode
我们进行数值模拟的人口III恒星系统的光离解反馈下的增长。我们从z = 100处的宇宙学初始条件开始,自洽地遵循z = 15处的迷你晕的形成以及随后其中心气体塌缩到高密度。模拟的尺度小至~ 1 AU,对应的气体密度为10^16 cm^-3。使用下沉粒子来代表不断增长的原恒星,我们进化了未来5000年的恒星系统。我们发现,这个新兴的恒星群吸积在一个异常低的速度相比,形成在较早的时间(z = 20 - 30),或具有较低的重子角动量的迷你晕。在这个不寻常的系统中,恒星在主序星寿命结束时可能会达到< 1 M_sun到5 M_sun的质量,使它们处于恒星将经历渐近巨星分支(AGB)阶段的质量范围内。基于模拟,我们预测了罕见的存在的第三族恒星已经存活到今天,并已丰富的质量溢出从以前的AGB同伴。
2014-03-08 astro-ph.CO
The Birth Mass Function of Pop III Stars
第三星族(PopIII)恒星结束了宇宙的黑暗时代,并开始了早期的宇宙再电离和化学富集。然而,尽管它们对早期宇宙的演化很重要,但由于先前数值模拟的局限性和缺乏任何观测约束,它们的性质仍然不确定。在这里,我们调查波普III星形成的五个原始晕的三维辐射流体动力学宇宙学模拟。我们发现,在每个小晕中形成了多颗恒星,并且它们的数量随着时间的推移而增加,其中一个晕中形成了多达23颗恒星。来自恒星的辐射反馈会产生强烈的外流,使周围的原恒星盘变形,并将恒星形成推迟几千年。恒星的形成率随晕的变化而变化,并取决于盘上的质量吸积、晕的自旋数和晕中大质量恒星的比例。在我们的模型中,恒星的质量范围从0.1-37 $\rm M_{\odot}$,在我们的模型中形成的55颗恒星中,有12颗是$\rm > 10~ M_{\odot}$,其他大多数是1-10 $\rm M_{\odot}$。因此,我们的模拟表明,Pop III型恒星的特征质量为1-10 $\rm M_{\odot}$,顶重IMF为dN/dM $\propto M_*^{-1.18}$。高达70%的恒星是通过三体相互作用从它们的盘中弹出的,这与电离紫外线反馈一起限制了它们的最终质量。
2021-11-10 astro-ph.CO astro-ph.GA
X-ray Twinkles and Pop III Stars
Pop III星是典型的原始组成的大质量恒星,形成于第一个坍缩的暗物质结构的中心。在这里,我们估计的最佳X射线发射在早期宇宙中促进形成的Pop III星。这对于确定在再电离之前形成的矮星系的数量和它们在局部宇宙中的化石,以及中等质量种子黑洞的数量非常重要。每个源的平均X射线发射量高于最佳水平,会减少Pop III星的数量,因为星系际介质(IGM)的金斯质量增加,而较低的发射量会抑制H2的形成速率,防止或延迟金斯质量以上的暗物质微晕中的恒星形成。由于共振氢Lyman线的屏蔽作用,H2离解背景的建立比X射线背景慢。因此,几乎不可避免的来自Pop III型恒星超新星遗迹的X射线辐射足以使它们的数量增加到红移z~15的几十个/百万分之三。我们发现,每个源发射的X射线与紫外线的能量比有一个临界值,在这个临界值下,宇宙中Pop III恒星的数量最多:每次共轨400颗-Mpc ^[3]。这一临界比与20-40颗M_suPop III型星作为超新星爆炸时所提供的临界比非常接近。矮星系中的高质量X射线双星在增加Pop III星数量方面远不如普通超新星遗迹有效,因此我们得出超新星驱动Pop III星形成的结论。
2016-07-14 astro-ph.CO astro-ph.GA
Population III Star Formation During and After the Reionization Epoch
在黑暗时代,星族III恒星的形成从通过分子氢冷却的小晕(~10^6 Msun)转变为通过Ly-alpha冷却的更大质量的晕(~10^8 Msun),因为莱曼-沃纳背景逐渐淬灭了分子氢冷却。最终,原始恒星形成的两种模式都被IGM的化学富集所抑制。我们提出了一个全面的模型,根据人口III恒星形成的模式,是基于分析计算和宇宙学模拟相结合。我们的特点的过渡从无金属恒星形成的第一个人口II集群的平均区域的宇宙和银河系的祖先的属性。最后,我们强调了在未来的深空巡天,如LSST中观测到红移z~6的Ly-alpha冷却晕内第III星族恒星爆炸的可能性。
2010-06-23 astro-ph.CO
Formation and survival of Population III stellar systems
第一个星族III(PopIII)恒星的初始质量函数在塑造早期宇宙的星系形成和演化中起着至关重要的作用。一个关键的遗留问题是在吸积盘中形成的次级原恒星的最终命运,特别是它们是否合并或生存。我们进行了一套复杂的相互作用之间的流体动力学模拟碎片,原恒星吸积,并合并内暗物质迷你晕。代替传统的下沉粒子方法,我们采用了刚性状态方程的方法,使我们可以更强大地确定盘内的粘性输运。模拟显示出由内而外的碎裂,因为气体在中心区域崩溃得更快。碎片在粘性时间尺度上迁移,在此期间角动量损失,使它们能够向盘中心移动,在那里与主原恒星合并可能发生。这个过程取决于碎片的尺度,最大尺度为$(1 - 5) \times 10^4$ au,在这个尺度内,碎片可以迁移到原恒星。粘性运输是活跃的,直到来自主原恒星的辐射反馈破坏了吸积盘。因此,最终的质谱和多重性主要取决于圆盘中粘度的影响。在粘性参数为$α\le 1$的原始情况下,整个盘受到有效的粘性输运。这个问题的一个重要方面是Pop III双星系统的生存概率,可能的引力波源将被先进的LIGO探测器探测。
2017-05-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
Impact of subhalo dynamical friction heating on the formation of the first structures in the universe
University of Edinburgh(爱丁堡大学);United Arab Emirates University(阿拉伯联合酋长国大学)
研究通过TNG50模拟数据,分析子晕动力学摩擦加热对早期结构形成的影响,发现其在低红移时对星系淬火有重要作用,并抑制了Pop III恒星形成。
2026-08-18 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Formation of Population III Stars in Gas Accretion Stage: Effects of Magnetic Fields
第三星族恒星的形成研究使用电阻磁流体动力学模拟。从一个磁化的原始星前云出发,计算了第一颗原恒星形成后几百年的云演化,并求解了原恒星半径。当出生微晕场强小于B \lesssim 10^-13(n/1 cm^-3)^-2/3 G(n为氢数密度)时,磁效应可以忽略不计。在这种情况下,经常发生碎裂,形成一个星团,其中恒星合并和原恒星之间的质量交换有助于这些原恒星的质量增长。在早期的气体吸积阶段,质量最大的原恒星留在云中心附近,而一些质量较小的原恒星则被喷出。当B_amb \gtrsim为10^-12(n/1 cm^-3)^-2/3 G时,磁场对星族III恒星的形成有显著影响。在这种情况下,由于原恒星周围的角动量被磁制动和原恒星喷流有效地传递,气体直接落在原恒星上而不形成盘,只有一颗大质量恒星形成。此外,当B_amb \sim为10^-12(n/1cm^-3)^-2/3 G时,出现了大质量双星系统。因此,磁场决定了第三星族恒星形成过程的最终结果(星团、双星或单星)。此外,无论磁场强度如何,在原恒星周围都不会出现持久的星周盘,这可能会影响星族III星的进一步演化。
2013-08-13 astro-ph.CO astro-ph.GA
Impact of magnetic fields on Population III star formation
宇宙中第一批恒星形成的理论,即所谓的第三星族理论(PopIII),迄今为止在很大程度上忽略了磁场的影响。补充最近的一系列研究的磁流体动力学(MHD)方面的Pop III恒星形成,我们在这里进行了一套理想化的数值实验,我们确定如何修改原始原恒星盘的碎片属性,如果MHD效应存在。具体而言,从宇宙学的初始条件,我们专注于在选定的minihalo在红移$z\sim$ 25的中心区域,插入一个磁场在中间的演化阶段,归一化的均分值的一小部分。为了探索参数空间,我们考虑不同的场的几何形状,包括均匀的,径向的,环形的,和极向场的配置,与环形配置是最现实的。在场被插入之后,对于密度为8个数量级的$\sim$,气体的坍缩被跟踪,直到达到最大值$10^{15}{\rm \,cm}^{-3}$。我们发现,磁场导致气体的坍缩延迟。此外,环向场对坍缩的影响最大,因为它抑制了围绕中心核心的新兴圆盘的破碎,并导致形成更大质量的核心。因此,要充分理解Pop~III恒星的形成及其质量分布,就需要考虑磁场的影响。我们进一步得出结论,理想的MHD只是在这一努力的第一步,后续的耗散效应,如双极扩散和欧姆耗散的综合治疗。
2022-08-31 astro-ph.CO astro-ph.GA
Protostellar Feedback Processes and the Mass of the First Stars
我们回顾人口III.1恒星形成的理论模型,专注于原恒星的反馈过程,预计终止吸积,从而设置这些恒星的质量。我们讨论如何暗物质湮灭可能会修改这个标准的反馈方案。然后,假设暗物质湮灭是不重要的,我们预测的质量形成的恒星在12个宇宙学的迷你晕产生的独立的数值模拟。这使我们能够对Pop III.1的初始质量函数以及它如何随红移而演化做出简单的估计。
2010-08-18 astro-ph.CO
Extremely-Metal Poor Stars in the Milky Way: A Second Generation Formed after Reionization
第三星族恒星形成的宇宙学模拟显示,当冷却由氢分子驱动时,初始质量函数(IMF)偏向于在红移z>20的迷你晕中形成的超大质量恒星(M> 100 Msun)。然而,这一结果与银河系晕中的极贫金属(EMP)恒星的观测结果相冲突,其r过程元素丰度似乎与非常大的第三星族祖先的预期不相容。我们提出了一个新的解决方案的问题,其中的IMF的第二代恒星形成在z>10,再电离之前,是不足的亚太阳质量的恒星,由于高宇宙微波背景温度地板。观测到的EMP星优先在z <10 in pockets of gas enriched to metallicity Z>10^{-3.5} Zsun由星族II星的风形成。我们对像银河系这样的暗物质晕的宇宙学模拟表明,目前的EMP星样本只能限制晚期第三星族恒星的IMF,这些恒星形成于z<13的晕中,维里温度Tvir约为10^4 K。这表明对不稳定性超新星主要不是由这个群体产生的。要开始探测形成于高红移的第三星族恒星的IMF,需要进行一次大规模的巡天,至少要有500颗,可能是几千颗金属丰度为Z~10^{-3.5} Zsun的EMP星。
2010-02-06 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
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
Gamma-Ray Constraints on the First Stars from Annihilation of Light WIMPs
我们计算了早期宇宙中存在的暗物质迷你晕中容纳第III.1族恒星的比例的极限,这些恒星今天作为银河系晕中的暗物质尖峰而幸存下来。受DAMA和CoGeNT直接暗物质搜索中光暗物质的潜在线索的启发,我们考虑了质量为5、10和20 GeV的热遗迹WIMP暗物质,并湮灭为mu^+ mu^-、tau^+ tau^-和q bar{q}。从这个简短的研究中,我们得出结论,如果暗物质是轻的,要么典型的黑洞大小是\lesssim 100 M_ \odot(即没有显著的暗星阶段),和/或暗物质主要湮灭到μ ^+ μ ^-或其他导致低伽马射线光度的最终状态,和/或早期宇宙中极少数似乎适合于第一批恒星形成的迷你晕实际上确实如此。
2012-05-03 astro-ph.CO astro-ph.HE
Radio background and IGM heating due to Pop III supernovae explosions
本文研究了在质量为$10^{5\hbox {--}7} \rm M_\odot$的高红移小晕中大质量第三族星超新星爆炸中加速的高能电子的同步辐射。我们表明,从这个过程中产生的无线电背景的强度可以是相当大的,这可能解释最近报道的EDGES结果,如果不是因为相关的加热IGM的CR质子也在同一时间产生。无线电背景和加热之间的平衡是这样的,21厘米的亮度温度不能大于$\vert ΔT_{21}\vert \sim 0.25$ K。射电背景和加热都是由高能粒子产生的,尽管一个是高能电子,另一个是高能质子。这两个相互竞争的过程,即射电背景的产生和Pop III超新星对IGM的加热,决定了在21厘米亮温下的波谷深度,这可以在未来的实验中观察到,并用作对这种情况的测试。
2018-12-17 astro-ph.CO astro-ph.HE
Disk fragmentation and the formation of population III stars
我们对星族III恒星形成的理解仍处于起步阶段。它们形成于$z=20-30$的$\rm 10^5-10^6 M_{\odot}$的暗物质迷你晕中。最近的高分辨率宇宙学模拟表明,原恒星盘的形成是引力坍缩和碎片成多个团块的结果。然而,目前还不完全清楚这些团块是否能够生存下来形成多颗恒星,因为模拟无法跟踪更长时间的磁盘演化。在这项研究中,我们采用了一个简单的分析模型,推导出的性质,边际稳定的稳态磁盘。结果表明,圆盘的稳定性取决于粘性参数$α$的临界值。对于$α_{crit} = 1$,吸积率为$\rm \leq 10^{-3} M_{\odot}/yr$时盘是稳定的,当吸积率为$\rm 10^{-2} M_{\odot}/yr$时,盘在半径约为$\rm \geq 100 AU$时变得不稳定。对于$0.06 < α_{crit} < 1$,盘对于两种吸积速率都是不稳定的。的迁移和开尔文-亥姆霍兹时间尺度的比较表明,块预计向内迁移之前到达的主要序列。此外,在一个巨大的中央恒星的存在下,中央1 AU内的团块将被潮汐破坏。我们还发现,来自中央恒星的紫外线反馈无法破坏圆盘,只有当吸积率下降到$\rm 2 \times 10^{-4} M_{\odot}/yr$时,光蒸发才变得重要。因此,中心恒星的质量可能达到100 $\rm M_{\odot}$甚至更高。
2014-12-03 astro-ph.CO astro-ph.GA
Effect of Population III Multiplicity on Dark Star Formation
我们数值研究了暗物质(DM)和第三星族(Pop III)恒星系统之间的相互作用,以探索在这种物理场景中Pop III暗星的可能性。我们进行了宇宙学模拟,初始化在z ~ 100,它遵循气体和DM的演变。我们分析了在z ~ 20处第一个微晕的形成,以及随后气体坍缩到密度为10^12 cm^-3的过程。然后,我们使用这个模拟初始化一组较小规模的“切出”的模拟,我们进一步完善DM的空间分辨率类似的气体。我们测试多个DM密度分布,我们采用的汇粒子的方法来代表吸积恒星形成区域。我们发现,对于一系列DM配置,Pop III星盘系统的运动用于分离原恒星相对于DM密度峰值的位置,使得DM不足以影响原恒星的形成和演化超过~ 5000年。此外,星盘系统会导致中心DM的重力散射到较低的密度,从而随着时间的推移进一步降低DM的影响。因此,对于典型的多重系统,Pop III星的任何DM供电阶段都将非常短暂,DM不会显著延长Pop III星的寿命。
2012-01-16 astro-ph.CO
Rotation Speed of the First Stars
从宇宙学初始条件出发,利用光滑粒子流体动力学(SPH)模拟方法,估算了z ~ 20处微晕内第三星族(PopIII)星的自转速度.我们跟踪原始气体的演化,直到密度达到10^12 cm^-3。代表不断增长的流体静力核心与吸积汇粒子,我们测量的速度和角动量的所有粒子落在这些原恒星区域。这使我们能够记录汇的角动量,并估计预计在其中形成的Pop III恒星的旋转速度。自转速率对恒星的演化、生命终结时的命运以及触发伽马射线暴(GRB)的可能性有着重要的影响。我们发现有足够的角动量产生快速旋转的恒星(> 1000 km/s,或接近分裂速度)。这表明Pop III恒星可能经历了强烈的旋转混合,影响了它们的结构和核合成产率。其中的一个子集也可能导致超新星爆炸,并可能导致伽马射线暴。
2010-12-08 astro-ph.CO
Magnetic fields limit the mass of Population III stars even before the onset of protostellar radiation feedback
本研究通过POPSICLE项目首次执行第三星族恒星形成的辐射磁流体动力学模拟,发现磁场在辐射反馈开始前即通过抵抗重力抑制质量传输,将最大恒星质量限制在约100太阳质量,为构建其完整质量函数奠定基础。
2025-04-30 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Detection of isolated population III stars with the James Webb Space Telescope
第一颗第三星族恒星被预测形成于红移约为10-30的小晕中。詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)暂定于2018年发射,可能能够探测到第一批星系,但它是否也能够探测到第一批恒星仍然是个疑问。在这里,我们探索的前景,检测一个孤立的人口III星或一个小集群的人口III星下降到红移2,无论是在透镜或unlensed领域。我们的计算是基于现实的恒星大气层,并考虑到潜在的流量从周围的HII区域的贡献。我们发现,没有透镜的第三族恒星超出了JWST的范围,即使有透镜的第三族恒星也很难被探测到。然而,后一种方法的主要问题不一定是透镜恒星太暗,而是它们的表面数密度太低。要探测到一颗60个太阳质量的第三星族恒星,当JWST指向星系团MACS J0717.5+3745时,迄今为止探测到的爱因斯坦半径最大的透镜星团,第三星族恒星的宇宙恒星形成率需要比目前最乐观的模型预测的高出大约一个数量级。
2013-01-24 astro-ph.CO
The First Stars: formation under X-ray feedback
我们研究了宇宙X射线背景(CXB)对形成于$z\simeq25$微晕中的第III族恒星的影响。使用光滑粒子流体动力学代码GADGET-2,我们获得足够的数值分辨率遵循气体坍缩到中心的minihalo从宇宙初始条件的密度$10^{12}\,{\rm cm}^{-3}$,在这一点上,我们形成汇粒子。这使我们能够研究CXB的存在如何影响H $_2$和HD在气体中的形成,然后才成为完全分子。使用一套模拟的范围内可能的CXB模型,我们遵循每个模拟5000 \yr后,第一个汇粒子的形式。CXB提供了两种相互竞争的效应,X射线既加热了气体,又增加了自由电子分数,从而允许更多的H $_2$形成。X射线加热在$n\sim1\,{\rm cm}^{-3}$以下占主导地位,而额外的H $_2$冷却在$n\sim10^2\,{\rm cm}^{-3}$以上变得更加重要。当气体离开准流体静力学的“游荡阶段”时,它变得对X射线来说光学厚度很大,因此CXB的主要影响是冷却中等密度的气体,导致重子坍缩进入暗物质晕的早期开始。在最高密度下,自屏蔽导致在宽范围的CXB强度上类似的热力学行为。因此,我们发现,恒星的形成是相对不敏感的CXB的存在下,形成的恒星的数量和特征质量仍然非常相似,即使CXB的强度变化了几个数量级。
2015-09-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
Kindling the First Stars II: Dependence of the Predicted PISN Rate on the Pop III Initial Mass Function
本文通过第一代恒星形成模型,研究 Pop III 初始质量函数及其填充方式对 z>5 不稳定对超新星发生率的影响,为 JWST 和罗曼望远镜利用 PISN 观测约束 Pop III IMF 提供理论依据。
2024-02-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
Premature Black Hole Death of Population III Stars by Dark Matter
第三星族恒星是第一代恒星,形成于原始元素丰度的迷你晕中,因此不含金属。它们被认为是在致密的暗物质云的核心形成的。因此,重子和暗物质之间的相互作用可能对它们的演化产生重要影响。在本文中,我们考虑捕获的非或弱湮灭的暗物质,这些早期的大质量恒星。在参数空间的广阔区域中,暗物质与重子的相互作用导致恒星过早死亡,成为黑洞。我们勾勒出这种修改的标准演化历史的人口III恒星可能会影响时代的再电离,通过修改的紫外线发射量,过渡到人口II恒星的形成,和X射线和无线电发射吸积到黑洞残余物。起源于星族III恒星的大质量黑洞的信号可以通过它们合并产生的引力波观测到。最后,对不稳定超新星的观测可以有效地排除黑洞在广泛的参数空间中过早死亡,质量范围从$m_{DM} \sim 0.1\text{ GeV}$到$m_{DM} \sim m_{\rm Pl}$。
2021-11-03 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.SR
The formation of supermassive black holes from Population III.1 seeds. II. Evolution to the local universe
本文模拟Pop III.1种子SMBH从高红移到$z=0$的宇宙演化,预测其数密度、晕占据与聚类特征,并提出可通过深空巡天检验。
2023-07-31 astro-ph.CO astro-ph.GA
The formation of massive Pop III stars in the presence of turbulence
在z=30时形成的第三星族恒星预示着宇宙黑暗时代的结束。它们被认为是组装在所谓的迷你晕中,维里温度为几千K,塌缩是由分子氢冷却引发的。一个核心问题是它们的最终质量,以及在它们的形成过程中是否发生了碎裂。虽然采用拉格朗日代码的研究表明,通过自引力盘的碎片,最近的高分辨率模拟表明,磁盘的形成受到抑制。在这里,我们报告的第一个高分辨率的大涡模拟与欧拉网格为基础的代码恩佐以下的演变超出形成的第一个高峰,调查吸积的中央大规模的团块和潜在的碎片。对于总共3个晕,我们看到第一个团周围形成了一个圆盘。中心的团块在40年后达到$\sim10$太阳质量,而随后的吸积预计将以每年$10^{-2}$太阳质量的速度进行。在其中一个晕中,由于在更大尺度上进行的碎裂,形成了额外的团块。我们注意到,亚网格尺度的湍流产生相关的贡献的原恒星盘的稳定性。我们的结论是,第一个原恒星可能达到质量高达$\rm 40-100 M_{\odot}$,这是唯一的辐射反馈的影响有限。
2013-06-12 astro-ph.CO
Efficient semi-analytic modelling of Pop III star formation from Cosmic Dawn to Reionization
本文提出快速可解释的 abcd 半解析模型,自洽追踪宇宙黎明至再电离期间原始与富金属气体中的 Pop III/Pop II 恒星形成,并预测高红移光度函数、瞬变率和21-cm信号。
2025-10-01 astro-ph.CO astro-ph.GA
Cosmological Impact of Population III Binaries
我们目前的结果,恒星反馈的Pop III双星采用改进的,更现实的Pop III进化恒星模型。为了便于有意义的比较,我们考虑一个固定的质量为60太阳质量(Msun)的Pop III恒星,包含在一个单一的恒星,或分裂成双星30 Msun每个或一个45 Msun和一个15 Msun星的不对称情况。虽然由此产生的HII区域的大小在所有情况下都是可比的,但双星周围的HeIII区域明显小于单星。因此,He $^{+}$ 1640埃复合线预计将变得弱得多。超新星反馈表现出很大的变化,由于可能的爆炸路径的不确定性。如果至少有一颗恒星以超新星的形式死亡,其能量大约是传统核心坍缩超新星的10倍,那么宿主微晕内的气体就会被有效地吹出,使星系际介质(IGM)的平均金属丰度达到$10^{-4}-10^{-3}$太阳金属丰度(Zsun),达到$\sim 2$ kpc。然而,这颗恒星更有可能坍缩成一个黑洞,最多伴随着非常微弱的爆炸。因此,早期化学浓缩的有效性将大大降低,与低质量双星不同,低质量双星中至少有一种成分可能有助于重元素的产生和扩散。重要的新的反馈物理也介绍了如果密切的双星可以形成高质量的X射线双星,导致的预热和电离的IGM超出恒星HII地区的范围。
2015-01-27 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Population III Star Clusters in the Reionized Universe
在宇宙的再电离区域,气体只能坍缩形成质量足够大的暗物质(DM)晕中的恒星。如果在红移z >~ 20的DM晕的微晕祖先中阻止了恒星的形成,那么这些晕将不会自我富集金属,因此可能会形成第三星族(Pop)恒星。我们估计的上限,从而形成在再电离宇宙中,作为一个函数的红移的丰度波普III星团。根据恒星形成的最小DM晕质量,在2 <~ z <~ 7处可以观测到每平方度1到1000个波普III星团。因此,可能有足够数量密度的Pop III星团,可以在詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)进行的深宽巡天(DWS)等巡天中探测到。我们预测,在再电离后形成的Pop III星系团最有可能在z >~ 3处发现,并且在质量为~ 10^11 M_Sun的DM晕的~ 40弧秒(~ 1 Mpc共动)范围内,DM晕是z ~ 20处的晕的后代,它们是第一个开始再电离的星系。如果恒星的初始质量函数(IMF)是头重脚轻的集群可能有足够高的亮度在两个Ly_alpha和He II的E1640被检测到,并对Pop III IMF的约束。虽然一小部分质量高达~10^9 M_Sun且红移z <~ 4的DM晕由于其前身星的形成而没有被富集,但由于星系风引起的外部金属富集可能会阻止大部分未被富集的晕形成Pop III星,甚至可能在再电离完成后完全阻止原始晕中的恒星形成。
2010-01-14 astro-ph.CO
The Mutual Interaction Between Population III Stars and Self-Annihilating Dark Matter
我们利用宇宙学方法模拟高红移微晕,研究了暗物质湮灭(DMA)对原初气体坍缩的影响。我们数值研究气体的演化,因为它组装在第三人口恒星盘。我们发现,当DMA效应被忽略,磁盘经历了多个碎片事件开始在第一个原恒星出现后的~ 500年。另一方面,DMA加热和电离的气体速度的初始崩溃的气体的原恒星的密度,也影响了稳定性的发展磁盘对碎片,取决于DM分布。我们比较的演变时,我们模型的DM密度与分析DM配置文件,它仍然集中峰值,当我们模拟DM配置文件使用N-体粒子(“活”DM晕)。当利用分析DM配置文件,DMA抑制磁盘碎片约3500年后,第一个原恒星的形式,与早期的工作。然而,当使用一个“活”DM晕,中央DM密度峰逐渐变平,由于DM和旋转的气体盘之间的相互作用,减少DMA对气体的影响,并使质量~ 1 M_sol的次级原恒星在900年内形成。这些模拟表明,DMA在抑制气体坍缩和随后的碎片化方面是无效的,因此不太可能形成长寿的暗星。然而,DMA效应可能仍然是显着的早期崩溃和盘形成阶段的原始气体演化。
2014-04-15 astro-ph.CO
Semi-analytic modelling of Pop. III star formation and metallicity evolution -- II. Impact on 21cm power spectrum
本文在meraxes半解析代码中开发框架模拟第三星族恒星辐射背景,发现其X射线辐射显著加热星际介质并影响21cm全局信号与功率谱,且SKA1-low观测可区分不同X射线发射强度的模型。
2025-04-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Primordial Black Holes and the First Stars
本文通过N体和流体动力学模拟研究原初黑洞对第三族恒星形成的影响,发现大质量原初黑洞加速结构形成、小质量原初黑洞抑制恒星形成,并据此给出对原初黑洞质量函数和暗物质贡献的新约束。
2025-07-05 astro-ph.CO
Simulations on a Moving Mesh: The Clustered Formation of Population III Protostars
宇宙的黑暗时代在大爆炸后数亿年结束,当时第一批恒星开始用新的光填充宇宙。一般认为,这些恒星是孤立形成的,质量极大,可能是太阳质量的100倍。在最近的一项研究中,克拉克和他的合作者表明,这种情况需要修正。他们证明了在第三星族恒星周围形成的吸积盘非常容易碎裂,因此第一批恒星应该是在星团中形成的,而不是孤立的。我们在这里使用一系列高分辨率的流体动力学模拟与移动网格代码AREPO跟进这一建议,并研究环境参数对破碎程度的影响。我们模型崩溃的五个独立的minihalos从宇宙学的初始条件下,通过失控的冷凝,其中心的气体云,形成的第一个原恒星,并超越了1000年。在这后一个吸积阶段,我们代表的光学厚区的原恒星的下沉粒子。气体在第一颗原恒星周围的星周盘中迅速积累,并剧烈分裂,产生一小群原恒星。在最初的爆发之后,引力不稳定性周期性地重现,形成质量从~ 0.1到10 M_sun的额外原恒星。虽然原恒星质量函数的形状、多重性和标准化依赖于下沉粒子算法的细节,但在所有情况下都发生了分裂成不同质量的原恒星,证实了早期关于第三星族恒星形成于星团的报道。根据后来吸积和合并的效率,第三星族恒星可能以星团的形式进入主序星序,并且质量比通常假设的要多得多。
2011-05-23 astro-ph.CO
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
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
Primordial star formation: relative impact of H2 three-body rates and initial conditions
第三星族星是宇宙中第一颗在z=20-30时由纯氢和氦气体形成的恒星,其小晕的质量为10^5-10^6 M $_\odot$。因此,冷却和碎裂通过分子氢来调节。当密度大于10^8 cm $^{-3}$时,三体H2的形成速率对于使气体完全分子化特别重要。这些比率被认为至少有几个数量级是不确定的。我们探讨了Forrey(2013)对三种不同的微晕推导出的新的精确三体H2形成率的影响,并与以前研究中采用的三体率获得的结果进行了比较。计算是用宇宙流体动力学代码ENZO(2.2版)加上化学包KROME(包括原始化学网络)进行的,该软件包在高分辨率模拟中被证明是准确的。虽然新的速率可以改变气体变成完全分子的点,导致不同的热演化,但这是如何发生的,没有微不足道的趋势。虽然人们可能天真地认为结果介于Palla等人(1983)和Abel等人(2002)的计算结果之间,但根据所探索的暗物质晕,其行为可能接近前者或后者。我们的结论是,采用正确的三体率是同样重要的使用适当的初始条件,并由此产生的热演化需要单独计算每个晕。
2013-12-17 astro-ph.CO