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
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
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
A Heavy Seed Black Hole Mass Function at High Redshift -- Prospects for LISA
本研究利用Renaissance模拟分析高红移重种子黑洞的形成与增长，发现早期黑洞难以快速增长，但其并合信号可被LISA探测，预计每年观测到约10起并合事件。
2025-01-28 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
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
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
Rapidly growing primordial black holes as seeds of the massive high-redshift JWST Galaxies
本文提出质量约1000倍太阳质量的原初黑洞在暗物质晕中经超爱丁顿吸积快速增长，可作为高红移大质量星系的种子，解释JWST观测到的早期星系形成难题。
2024-06-18 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
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
Hierarchical Black Hole Mergers at High Redshift: Predictions for LISA and LGWA from SEEDZ
Maynooth University（梅努斯大学）；Max-Planck-Institut für Astrophysik（马克斯·普朗克天体物理学研究所）；University of Hertfordshire（赫特福德大学）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）；University College Cork（科克大学学院）；Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Universität Heidelberg（海德堡大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
基于SEEDZ模拟，研究早期宇宙黑洞层级并合，发现强AGN反馈抑制并合增长，NoFB为上限，需在LISA等设施前打破多重简并。
2026-10-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Search for the Farthest Quasar: Consequences for Black Hole Growth and Seed Models
对高红移类星体的探索导致了一系列破纪录的来源，目前的纪录保持者是$z=7.642$。在这里，我们展示了未来的$z>8$类星体的探测如何影响黑洞生长和种子模型参数的约束。使用宽平坦的先验的生长参数（爱丁顿比$\,f_{\rm Edd}$，占空比${\cal D}$，种子质量$M_{\rm \bullet, seed}$和辐射效率$ε$），我们表明，在它们的测定大的不确定性减少了一个因素$\sim 5$时，类星体的检测红移从$z=9$到$z=12$。在这种高红移区域，$ε$趋向于允许的最低值，并且$M_{\rm \bullet, seed}$的分布在重种子区域内达到峰值。值得注意的是，在$z > 7$探测到的两个具有低吸积率的类星体（J1243+0100和J 0313 -1806）已经收紧了可用的参数空间，需要$M_{\rm \bullet, seed} > 10^{3.5} \,{\rm M_\odot}$和$ε< 0.1$。辐射效率是一个关键的未知数，因子$\sim 2$的变化能够通过$\sim 3$的数量级修改预测的质量，已经在$z\sim 9$。低效率的吸积（减少$ε$）和黑洞自旋（增加$ε$）的竞争作用显着影响增长模型。最后，我们建议，目前预测的产量即将到来的类星体调查（例如，欧几里德）将有助于确定最可能的种子质量制度。例如，假设薄盘吸积，由$z\sim 9-10$探测到具有…
2021-11-02 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
A rapid channel for the collisional formation and gravitational wave driven mergers of supermassive black hole seeds at high redshift
受JWST高红移恒星形成观测启发，研究通过BIFROST模拟发现低金属丰度星团中恒星碰撞可快速形成大质量中等质量黑洞，其并合是高红移超大质量黑洞种子形成的快速通道，为下一代引力波探测提供了目标信号。
2025-09-05 astro-ph.GA
Seeding High Redshift QSOs by Collisional Runaway in Primordial Star Clusters
我们研究如何失控的恒星碰撞高红移，贫金属星团形成非常大质量的恒星（VMSs），可以直接崩溃到中等质量的黑洞（IMBHs）。我们遵循一对相邻的高红移迷你晕的演化与高分辨率，宇宙学流体动力学放大模拟使用自适应网格细化代码RAMSES结合非平衡化学包KROME。第一个坍缩的小晕被认为是将另一个的中央核星团（NSC）富集到临界金属丰度，足以形成红移为$z\approx27$的星族II（Pop. II）恒星。使用的空间配置的扁平，不对称的气体云形成的核心的金属富集晕，我们设置的初始条件，模拟一个最初的非球形星团的直接求和代码NBODY6相比，约2000 NBODY6模拟球形星团的广泛的星团参数。最终形成的VMS的质量很大程度上取决于NSC的初始质量和初始中心密度。对于我们的RAMSES模拟建议的初始中心密度，质量> 400 M $_{\odot}$的VMS可以在恒星质量为$\approx10^4$ M $_{\odot}$的星团中形成，并且对于更大质量和更密集的星团，这可以增加到远超过1000 M $_{\odot}$。我们发现在这样一个早期的宇宙时间在这些小晕中形成VMS的概率很高，这使得Pop.II星团的碰撞失控成为产生大量高红移IMBH的一个有希望的通道，这些IMBH可能作为超大质量黑洞的种子。
2015-12-14 astro-ph.GA
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
How long do high-redshift massive black hole seeds remain outliers in black hole vs. host galaxy relations?
在我们对黑洞形成和增长的传统理解中，宇宙最初10亿年内是否存在$10^9\ {\rm M_\odot}$超大质量黑洞（SMBH）仍然是一个谜。几个建议的形成途径，这些SMBH导致一个沉重的种子，与初始黑洞质量的$10^4-10^6~{\rm M_\odot}$。这可能导致一个质量过大的BH星系（OMBG），其核黑洞的质量与周围恒星的质量相当，甚至更大：黑洞与恒星的质量比为$M_{\rm bh}/M_* \gg 10^{-3}$，远远超过了较低红移的典型值。我们调查多久，这些新生的BH仍然在$M_{\rm bh}-M_{*}$关系的离群值，通过探索先前在\texttt{Renaissance}模拟中确定的两个OMBG的后续演变。我们发现两个OMBG在它们的整个生命周期中都有$M_{\rm bh}/M_* > 1$，从它们在$z\approx 15$出生，直到它们在$z\approx 8$与更大质量的晕合并。我们发现，OMBG是空间上可分辨的，从他们更大规模的，$10^{11}~{\rm M_\odot}$，相邻的晕，直到他们的合并是在$z\approx 8$完成。这为未来的观测提供了一个窗口，通过探测类似的OMBG并建立其独特的高黑洞-恒星质量比，用PDMATHAMV JWST和灵敏的X射线望远镜来诊断重种子情景。
2022-12-13 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
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
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
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
Magnetogenesis around the first galaxies: the impact of different field seeding processes on galaxy formation
我们研究了再电离时期电离前沿电荷分离产生的磁场的演化及其对星系形成的影响。我们比较了这个磁播种过程与比尔曼电池，从超新星注入，并施加在红移$z\gtrsim127$种子场。使用一套自洽的宇宙学和放大模拟御夫座星系形成模型的基础上，我们确定，所有的机制产生的星系磁场，同样影响星系形成，并在$z\lesssim1.5$几乎无法区分。前者与观测值是兼容的，而后者与气体金属丰度低于种子依赖的红移。低密度气体和低于种子依赖的质量阈值的晕保持初始磁场的记忆。我们制作合成法拉第旋转测量地图，表明它们有可能限制播种过程，虽然目前的观测还不够敏感。我们的研究结果意味着，一个原始种子场的特设假设-广泛用于星系形成模拟，但不确定的物理起源-可以被取代的物理动机的机制，对星系性质的影响可以忽略不计的磁。此外，电离前沿之前产生的磁场看起来非常相似，但比比尔曼电池产生的磁场弱。因此，在两种机制都有效的现实情况下，前者与后者相比将是微不足道的。最后，我们的研究结果强调，高红移宇宙是一个富有成效的试验场，我们的理解磁场的产生。
2021-01-12 astro-ph.GA
Diagnosing the massive-seed pathway to high-redshift black holes: statistics of the evolving black hole to host galaxy mass ratio
本文通过蒙特卡洛并合树模拟五万个承载大质量种子黑洞的原星系，研究黑洞与宿主星系质量比的演化，发现高达60%的超大质量黑洞星系在数亿年内保持离群状态，为利用JWST和X射线望远镜诊断早期超大质量黑洞的大质量种子形成路径提供了统计依据。
2024-06-07 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
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
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
The Emerging Black Hole Mass Function in the High-Redshift Universe
本文利用半解析代码A-SLOTH预测轻质与重质种子模型下的高红移SMBH质量函数，指出JWST超深场观测可区分两类形成通道。
2025-06-06 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
Simulating the formation of massive seed black holes in the early Universe. II: Impact of rate coefficient uncertainties
我们调查的不确定性的化学和冷却速率系数相关的无金属气体影响我们的能力，以确定抑制H2冷却高红移原子冷却晕所需的临界紫外线场强。抑制H2冷却是气体直接坍缩并形成中等质量黑洞的必要前提。然后，这些黑洞可以作为在红移$z \sim 6$处观察到的超大质量黑洞（SMBH）生长的种子。SMBH形成的这个模型的可行性取决于临界紫外线场强度，Jcrit：如果这是太大，那么太少的种子将形成解释所观察到的SMBH的数量密度。我们在本文中，有五个关键的化学反应，其速率系数是不确定的，足以显着影响Jcrit。其中最重要的是通过与其他氢原子碰撞而产生的氢的碰撞电离，因为在与直接坍缩相关的低能量下，该过程的速率受到非常差的约束。在最坏的情况下，这个反应和其他四个反应引入Jcrit的总不确定性可能接近5倍。我们还表明，使用过时的或不适当的值的直接崩溃机制在以前的研究中的一些化学反应的速率可能会显着影响这些研究确定的Jcrit值。
2015-08-03 astro-ph.CO astro-ph.GA
Constraining the Properties of Black Hole Seeds from the Farthest Quasars
本研究首次通过对z>6类星体星表的贝叶斯分析，结合幂律与对数正态函数约束黑洞种子质量分布，证实早期宇宙同时存在轻重两类黑洞种子，为高红移类星体质量起源提供了统计依据。
2023-11-06 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
The First Massive Black Hole Seeds and Their Hosts
我们研究了高红移星系中第一个大质量黑洞的形成，目的是提供关于哪些星系有或没有大质量黑洞的见解。在SPH+ N体宇宙学模拟中，我们采用了一种新的方法在星系晕中形成种子黑洞。大质量黑洞种子的形成直接取决于局部气体密度、温度和金属丰度，并受大质量黑洞形成的物理模型的激励。我们探讨种子黑洞人口作为晕质量和红移的函数，并研究如何改变大规模黑洞种子形成的效率影响黑洞和它们的主机之间的关系。种子黑洞倾向于形成质量在10^7 ~ 10^9 Msun之间的晕，由于金属在星系际介质中的扩散，在z = 5附近的形成速率受到抑制。我们发现大质量黑洞的形成时间和黑洞的占有率是宿主晕质量的函数。当z = 5时，质量M_halo > 3 x 10^9 Msun的晕拥有大质量黑洞，而与种子形成效率无关，而较小晕的占据分数随着黑洞形成效率的增加而增加。我们的模拟解释了为什么大质量黑洞会出现在一些无球星系和矮星系中，但我们也预测它们在低质量系统中的出现会越来越罕见。
2011-09-07 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Dynamics of low-mass black hole seeds in the BRAHMA simulations using subgrid-dynamical friction: Impact on merger-driven black hole growth in the high redshift Universe
本文在 BRAHMA 高红移宇宙学模拟中引入亚网格动力学摩擦模型，发现其使黑洞并合率较重定位方案降低4–10倍，并合主导早期黑洞增长。
2025-06-10 astro-ph.GA
Unveiling the first black holes with JWST: multi-wavelength spectral predictions
在大爆炸后约1 Gyr的范围内，从光种子（第一批恒星的残余）中生长出超大质量黑洞（~10^9 Msun），为探测到的明亮、最高红移的类星体（z > 6）提供动力，这对生长模型提出了一个时间挑战。初始质量约为10^4 ~ 10^5 Msun的大质量黑洞种子通过直接坍缩而形成，这就解决了这个问题。形成这些大质量直接坍缩黑洞（DCBH）种子所需的物理条件在早期宇宙中就存在。这些可行的DCBH形成地点，恒星形成星系的卫星晕，合并并获得恒星成分。这产生了一个新的，瞬态类的物体在高红移，肥胖黑洞星系（OBG），其中的光度产生的吸积到黑洞超过恒星的组成部分。因此，OBG阶段提供了一种独特的方式来区分轻和重的初始种子。我们预测的多波长的能量输出的OBG和不断增长的波普III残留物在基准红移（z = 9），探索标准和超薄盘吸积到不断增长的中央黑洞的相关恒星星族的高和低金属丰度。利用我们计算的模板，我们推导出OBG的选择标准，其包括消除蓝色源的预选;随后是颜色-颜色切割（[ F_{070W} - F_{220W} ] > 0; -0.3 < [ F_{200W} - F_{444W} ] < 0.3），并且当可用时，X射线通量与静止帧光通量的高比率（F_X/ F_{444W} 1）（简略）。
2017-02-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
Massive Black Hole Seed Formation in Strong X-ray Environments at High Redshift
Tohoku University（东北大学）；Peking University（北京大学）
研究用纳入观测校准X射线强度的半解析模型表明，HERA暗示的强X射线会抑制气体直接坍缩，但重子流运动区域仍可在z≈15形成足够丰度的万倍太阳质量以上黑洞种子。
2025-10-20 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
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
Signatures of BH seeding on the $\mathrm{M_{\displaystyle \bullet}}-σ$ relation: Predictions from the BRAHMA simulations
本研究利用BRAHMA模拟探讨不同黑洞种子模型对$\mathrm{M_{\bullet}}-σ$关系的影响，发现种子模型决定该关系在高红移及低质量端的归一化，并揭示合并与吸积主导的增长机制。
2025-06-20 astro-ph.GA
Conditions for direct black hole seed collapse near a radio-loud quasar 1 Gyr after the Big Bang
对z~6的发光类星体及其超大质量黑洞的观测表明，它们形成于宇宙早期的致密物质峰。然而，很少有研究发现类星体位于宇宙密度峰值的确切证据，这与理论预测形成鲜明对比。在这里，我们提出了新的证据，无线电响亮的类星体SDSS J 0836 +0054在z=5.8可能是一个令人惊讶的丰富的星系结构的一部分。这一结论是通过结合文献中先前报道的许多发现得出的：Bosman等人（2020）获得了三个伴星系的红移，证实了Zheng等人（2006）发现的i-dropouts的密度过高。通过将这种结构与其他类星体附近的结构和z~6-7处的大过密区域进行比较，我们发现SDSS J 0836 +0054场是在这些红移处已知的致密结构之一。其中一个光谱伴星是一个非常巨大的恒星形成星系（log M_*/M_sun ~ 10.3），这是根据Spitzer 3.6 μ m图像清晰地探测到的。这表明类星体场拥有的不是一个，而是至少两个罕见的大质量暗物质晕（log M_halo/M_sun > 12），对应的星系密度至少为20。我们讨论了年轻射电源的性质。我们的结论是，SDSS J 0836 +0054的环境类似，至少在定性上，根据最近的理论，可能刺激了大质量黑洞种子直接坍缩的条件类型。
2021-12-17 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
Little Red Dots and Supermassive Black Hole Seed Formation in Ultralight Dark Matter Halos
University of Seoul（首尔大学）；Jungwon University（中原大学）
该研究探讨了超轻暗物质晕中超大质量黑洞种子的形成机制，揭示了在特定温度阈值下气体坍缩形成特征质量为10^5 M_sun的黑洞种子，并解释了小红点为嵌入高温电离气体云中的黑洞。
2026-08-26 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
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
SMBH growth parameters in the early Universe of Millennium and Millennium-II simulations
我们从千禧年和千禧年II模拟中制作了黑洞（BH）合并树，以发现在什么条件下10^9 Msun SMBH可以通过红移z=7形成。为了利用这两个：大盒子大小的千禧年模拟和大质量分辨率的千禧年-II模拟，我们开发了一种方法，将这两个模拟结合在一起，并使用千禧年-II合并树预测BH种子中使用的千禧年合并树。我们运行多个半分析模拟SMBHs增长通过合并和事件的气体吸积引发的主要合并。作为约束，我们使用观测到的BH质量函数在红移z=6。我们发现，根据最近对中等超爱丁顿吸积的观测，只要吸积过程中的吸积是中等超爱丁顿吸积（fEdd =3.7），低质量种子（100 Msun）就可能是高红移SMBH（z~7）的祖先。
2015-06-23 astro-ph.CO astro-ph.GA
Supermassive primordial black holes for the GHZ9 and UHZ1 observed by the JWST
针对JWST观测到的高红移大质量星系GHZ9与UHZ1的高黑洞恒星质量比问题，提出其中心黑洞源于超大质量原初黑洞（SMPBHs）的假说，通过自相似吸积解分析其质量演化，证明该假说可解释相关观测并为原初黑洞探测提供新途径。
2024-10-08 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Tracing high redshift cosmic web with quasar systems
我们使用SDSS DR 7类星体目录（Schneider et al. 2010）中的类星体数据，在红移1.0 <= z <= 1.8处追踪宇宙网。我们应用一个朋友的朋友（FoF）算法的类星体和随机目录，以确定系统在一系列的链接长度，并分析这些系统的丰富度和大小。在连接长度l <= 30 Mpc/h时，类星体系统的数量大于随机星表中检测到的系统数量，并且系统本身的直径比随机系统更小。类星体系统的直径与本宇宙中贫穷星系超星系团的大小相当，最富有的类星体系统有四个成员。类星体系统的平均空间密度接近于局部富超星系团的平均空间密度。在中间连接长度（40 <= 1 <= 70 Mpc/h），类星体系统的丰富度和长度与随机星表中的类似。类星体系统的直径与本宇宙中丰富的超星系团和超星系团链的大小相似。在连接长度为70 Mpc/h时，最丰富的类星体系统的直径超过500 Mpc/h。在类星体样品中，贯穿整个样品体积的散射系统出现在比随机样品更小的连接长度（85 Mpc/h）处。系统中类星体的光度与系统的丰度无关。在我们的网页http://www.aai.ee/~maret/QSOsystems.html上的类星体系统目录作为一个数据库来搜索星系的超星系团和追踪高红移的宇宙网。
2014-06-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
Massive black holes at high redshifts from superconducting cosmic strings
类星体在高红移的观测呈现出黑洞形成理论中的一个谜团。为了寻找这些物体的来源，人们通常依赖于早期在适当位置存在的重种子（$M \approx 10^{4-6} \, M_{\odot}$）。不幸的是，这些沉重的种子的形成很难在标准的天体物理学背景下实现。在这里，我们研究超导宇宙弦环是否可以在早期宇宙中产生足够强的超密度来解决这个谜团。我们回顾了一组直接坍缩条件下，原始气体云将进行整体坍缩成一个大质量黑洞（形成质量为$M_{BH} \approx 10^5 \, M_{\odot}$在$z \approx 300$在我们的方案），并系统地显示超导宇宙弦环可以满足这些条件的区域中的$Gμ-I$参数空间。
2022-02-03 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
The thick disks of spiral galaxies as relics from gas-rich, turbulent, clumpy disks at high redshift
研究了旋涡星系中厚恒星盘的形成。对富含气体的年轻星系的模拟表明，内部团块的形成是由引力不稳定性、团块聚结成凸起以及强烈的恒星散射导致的盘增厚造成的。现代星系的凸起和厚盘可能就是这样形成的。小合并的模拟也会产生厚的盘，但有一个重要的区别。由内部过程形成的厚盘具有恒定的刻度高度和银河中心半径，但由合并耀斑形成的厚盘。这种差异的产生是因为在第一种情况下，垂直强迫和盘重力阻力都与盘柱密度成正比，因此所得的刻度高度与此密度无关。在合并的情况下，垂直强迫是独立的柱密度和低密度区变得更厚，由此产生的耀斑是不一致的观测。后期的气体吸积和薄盘的增长，以保持恒定的尺度高度的厚盘形成的内部演化。这些结果加强了这样一种想法，即盘星系吸积大部分的质量顺利，并获得其结构的内部过程，特别是通过湍流和cluerous阶段在高红移。
2009-10-19 astro-ph.CO astro-ph.GA
Observational signatures of massive black hole formation in the early universe
太空望远镜对大质量黑洞形成过程的观测可能是理解超大质量黑洞和高红移类星体起源的关键。为了建立诊断他们的检测和确认，我们研究了一个新生的大规模，所谓的直接坍缩，黑洞，诱导附近的大规模无金属恒星形成波的模拟，独特的播种方案和非常高的红移。在这里，我们描述了一系列不同的颜色和发射线强度，依赖于恒星形成和黑洞吸积的相对强度。我们预测，即将到来的詹姆斯韦伯太空望远镜可能能够检测和区分一个年轻的星系，它拥有一个直接坍缩的黑洞在这种配置在红移15，只有20,000秒的总曝光时间在四个过滤器，关键是约束超大质量黑洞播种机制和早期增长率。我们还发现，一个巨大的种子黑洞产生强大的，H $_2$离解莱曼-沃纳辐射。
2018-09-10 astro-ph.GA
High-redshift supermassive black hole mergers in simulations with dynamical friction modelling
在不久的将来，像LISA和脉冲星定时阵列这样的项目有望探测到来自超大质量黑洞合并的引力波，现在精确地模拟潜在的合并人口是至关重要的，以最大限度地提高我们可以从这些新数据中学到的东西。在这里，我们描述了预期的高红移（z > 2）黑洞合并使用非常大的体积阿斯特丽德宇宙学模拟，它使用一系列的种子质量探测到低质量的黑洞，并直接纳入动力学摩擦，以便准确地模拟动力学过程，使黑洞的星系中心，在那里的二进制的形成和合并将发生。Astrid中的黑洞群包括低至10 $^{4.5}$ M $_\odot$的黑洞，并且在大于10 $^6$ M $_\odot$（TNG中使用的种子质量）的尺度上与TNG模拟保持广泛一致。通过解析低质量的黑洞，整体合并率比TNG高5倍。然而，将动力学摩擦延迟合并相比，一个重中心计划，减少高z合并率质量匹配合并的一个因素~ 2倍。我们还计算了预期的LISA信噪比值，并表明分布在高SNR（>100）时达到峰值，强调了实施远低于LISA峰值灵敏度（10 $^6$ M $_\odot$）的种子质量以解决大多数LISA GW检测的重要性。
2023-02-01 astro-ph.GA
Loss-Cone-Limited Dark Matter Capture by Early Black Hole Seeds
Center for Astrophysics, Department of Physics and Astronomy, University of Notre Dame（圣母大学物理与天文学系天体物理学中心）
针对早期黑洞种子，建立损失锥框架研究无碰撞暗物质捕获，结合Fokker-Planck处理角动量输运，发现普通恒星弛豫贡献可忽略，原初黑洞或三轴轨道可产生显著增长，但自洽计算中吸积受供应限制，NFW模型高估持续增长。
2026-11-10 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Radio jets from AGN in dwarf galaxies in the COSMOS survey: mechanical feedback out to redshift $\sim$3.4
矮星系被认为是早期宇宙种子黑洞（BH）的残留物，并被超新星反馈所控制。然而，最近的研究表明，BH反馈也可能强烈影响他们的成长。我们报告了35个矮星系的发现，其射电活动星系核的红移为$\sim$ 3.4，这构成了矮星系中活动星系核的最高红移样本。这些星系来自VLA-COSMOS 3 GHz大型项目，所有星系都在形成恒星。在除去恒星形成对射电辐射的贡献后，我们得到活动星系核的射电光度范围为$L^\mathrm{AGN}_\mathrm{1.4 GHz} \sim 10^{37}$ - $10^{40}$ erg s $^{-1}$ .由光谱能量分布拟合得到的辐射热光度为$\gtrsim 10^{42}$ erg s $^{-1}$，与矮星系活动星系核的存在相一致。大多数源的3 GHz射电发射是紧凑的，喷流功率范围从$Q_\mathrm{jet} \sim 10^{42}$到10 $^{44}$ erg s $^{-1}$。这些值，以及在超过50%的样本中发现的喷流效率$\geq 10$，表明矮星系可以拥有与大质量射电星系一样强大的射电喷流，其喷流机械反馈可以强烈影响宿主星系中恒星的形成。我们的结论是，活动星系核反馈也可以有一个非常强烈的影响矮星系，无论是触发或阻碍恒星的形成，并可能提供BH增长的材料。这意味着这些低质量活动星系核可能不是早期种子黑洞未被触及的遗迹，这对种子黑洞形成模型具…
2019-06-25 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 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
Detecting the Birth of Supermassive Black Holes Formed from Heavy Seeds
在本白皮书中，我们探索了识别和研究早期宇宙中由重种子（$\mathrm{M_{\bullet}} \sim 10^4 - 10^6 \, \mathrm{M_{\odot}}$）形成的超大质量黑洞所需的能力。为了获得对重粒子的明确探测，我们需要探测$\sim 10^{5-6} \, \mathrm{M_{\odot}}$在红移$z \gtrsim 10$的质量尺度。从这个理论的角度来看，我们审查的观测要求，以及它们如何比较计划/拟议的仪器，在红外线，X射线和引力波领域。总之，在未来十年内在$z \gtrsim 10$探测重黑洞种子将具有挑战性，但根据目前的理论模型，即将推出/拟议的设施是可行的。它们的发现对于理解宇宙的早期历史以及迄今为止的演化至关重要。揭开黑洞的曙光肯定会是天文学界未来十年关注的重点任务之一。
2019-03-18 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
