Saaten von Schwarzen Löchern: Direkte Kollaps-Schwarze-Loch-Bildung mit realistischer Lyman–Werner-Strahlung in kosmologischen Simulationen

Zusammenfassung: Wir untersuchen die Geburt supermassiver schwarzer Löcher aus dem direkten Kollapsprozess und charakterisieren die Orte, an denen diese Schwarzen-Loch-Samen entstehen. In der Epoche vor der Wiederionisation ist molekularer Wasserstoff (H2) ein effizienter Kühlmittel, das dazu führt, dass Gas fragmentiert und Population-III-Sterne bildet, aber Lyman–Werner-Strahlung kann die H2-Bildung unterdrücken und es dem Gas erlauben, direkt in ein massives Schwarzes Loch zu kollabieren. Der kritische Fluss, der nötig ist, um die H2-Bildung zu hemmen, J_crit, wird stark diskutiert, hauptsächlich aufgrund der Unsicherheiten im Quellenstrahlungs-Spektrum, der Selbstabschirmung von H2 und den Kollisionsdissoziationsraten. Hier testen wir die Kraft des direkten Kollapsmodells in einem selbstkonsistenten, zeitabhängigen, nichtuniformen Lyman–Werner-Strahlungsfeld – das erste Mal, dass dies in einem kosmologischen Volumen gemacht wurde – unter Verwendung einer aktualisierten Version des Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) + N-Bodyn-Baum-Codes Gasoline mit H2-Nichtgleichgewicht-Abundance-Tracking, H2-Kühlung und einer modernen SPH-Implementierung. Wir variieren J_crit von 30 bis 10^3 in Einheiten von J21, um zu untersuchen, wie sich dieses Parameter auf die Anzahl der Samen-Schwarzen Löcher und die Art der Galaxien, die sie beherbergen, auswirkt. Wir konzentrieren uns auf die Bildung von Schwarzen Löchern als Funktion der Umgebung, der Halo-Masse, der Metallizität und der Nähe der Lyman–Werner-Quelle. Massive Schwarze-Loch-Samen entstehen häufiger bei niedrigeren J_crit-Schwellenwerten, aber unabhängig von J_crit bilden sich diese Samen typischerweise in Halos, die kürzlich mit der Sternentstehung begonnen haben. Unsere Ergebnisse bestätigen nicht das vorgeschlagene Szenario der atomaren Kühlung von Halo-Paaren; vielmehr bilden sich Schwarze-Loch-Samen vorwiegend in niedrigmetallischen Taschen von Halos, die bereits Sternentstehung beherbergen.