Un théorème de non-acceptabilité pour les trous noirs à effondrement direct sans un fort fond ultraviolet

Résumé Expliquer l'existence de trous noirs supermassifs plus grands que ∼10⁹ M⊙ à des décalages vers le rouge z ≳ 6 reste une question théorique ouverte. Une possibilité est que des gaz s'effondrant rapidement dans des haloes de refroidissement atomique purs (Tvir ≳ 10⁴ K) produisent des trous noirs de 10⁴–10⁶ M⊙. Des études précédentes ont montré que la formation d'un tel trou noir nécessite un fort fond UV pour éviter le refroidissement de l'hydrogène moléculaire et la fragmentation du gaz. Récemment, il a été proposé qu'un fort fond UV pourrait ne pas être nécessaire pour les haloes qui accréditent des matériaux de manière extrêmement rapide ou pour les haloes où le refroidissement du gaz est retardé en raison d'une vitesse de flux baryon-noire élevée. Dans ce travail, nous soulignons que la constitution d'un halo avec Tvir ≳ 10⁴ K avant que le refroidissement moléculaire ne devienne efficace n'est pas suffisant pour former un trou noir à effondrement direct (DCBH). Bien que la formation de l'hydrogène moléculaire puisse être retardée, elle finira par se former à des densités élevées, entraînant un refroidissement et une fragmentation efficaces. La seule façon évidente d'éviter le refroidissement moléculaire en l'absence de rayonnement UV fort est que le gaz atteigne une densité suffisamment élevée pour provoquer la dissociation collisionnelle de l'hydrogène moléculaire (∼10⁴ cm⁻³) avant que le refroidissement ne se produise. Cependant, nous soutenons que l'entropie minimale du cœur, fixée par l'entropie du milieu intergalactique lorsqu'il se découple de l'Univers cosmique, empêche cela de se produire pour des masses de halo réalistes. Cela est confirmé par des simulations cosmologiques hydrodynamiques sans refroidissement radiatif. Nous expliquons la densité maximale par rapport à la masse du halo dans ces simulations avec des arguments simples d'entropie. Les faibles densités trouvées suggèrent que la formation de DCBH nécessite effectivement un fort fond UV.