超大质量黑洞“种子”

相关宿主环境详见早期小型晕与原星系。

大质量种子情景旨在将更多得多的质量注入初始黑洞。在一类模型中，快速的气体流入形成一颗超大质量原恒星，随后它发生坍缩。气体避免将其大部分质量分散到普通的小质量恒星群中。[5]

因此，“直接坍缩”并不总是意味着云团会瞬间变成黑洞，也不意味着不会经历类恒星阶段。坍缩过程可能包括一颗快速增长的中心恒星、一定程度的碎裂，以及持续的气体供应。

1. 维持快速流入

   足够深的晕会聚集气体。物质必须失去足够的角动量才能到达中心，而不是停留在宽广的轨道上。[3]

2. 集中质量

   在适宜的热力学和化学条件下，流入物质可以形成一个超大质量中心天体。快速吸积模型可能会形成范围广阔且相对较冷的包层。[5]

3. 坍缩成种子

   中心天体可能变得不稳定并发生坍缩。种子质量取决于该天体的增长和演化，不一定等于原始气体云的质量。[5]

吸积会增加质量，同时释放能量。逸出的辐射会对周围气体施加推力，因此光度和增长会相互影响。

爱丁顿光度是在特定假设下向外的辐射力与引力平衡时的参考值，通常假设电离气体中的电子散射。它并不是所有可能流动的绝对上限。要将光度转换为质量增长率，还需要了解吸积产生逸出辐射的效率。[9]、[10]

一项受控比较

假设以爱丁顿光度持续吸积，辐射效率为10%，且没有并合。计入入射静质量能中以辐射形式释放的部分后，黑洞每5,000万年增长约2.72倍。[9]

根据所述模型进行的示例计算，四舍五入至两位有效数字。计时从种子形成时开始。这些并非特定类星体的实测历史。

在这项比较中，质量更大的种子大约节省3.5亿年。供给中断会延长日历时间。改变辐射效率或吸积状态也会改变结果。

种子能增长得更快吗？

在一些稠密的吸积流中，光子向内运动的速度可能快于逸出的速度。这种光子俘获会减少每单位供给质量所对应的逸出辐射，从而使增长速度超过上述简单模型的预测。几何形状和外流也很重要。[10]

因此，超爱丁顿的质量流入并不意味着逸出光度会以相同的倍数增加。确定这些阶段发生的频率及其持续时间，是种子之谜的一部分。

并合有所贡献，但不是即时捷径

当星系并合时，其中的黑洞最终可能相遇。首先，它们必须彼此接近并损失轨道能量；星系并合并不保证黑洞立即合并。

黑洞并合会结合这对黑洞的大部分质量，以引力波的形式辐射出部分能量，并可能将并合后的黑洞踢向新的方向。根据反冲大小和宿主的引力，它可能留在中心、四处游荡或逃逸。因此，并合驱动的增长也需要合适的环境。[3], [11]

如需了解更广泛的背景，请参阅并合与层级增长和反馈效应：辐射与星风。

一个被观测到的黑洞通常同时带有其诞生和后续增长的影响。研究人员会寻找质量、年龄、宿主性质、丰度和并合历史的组合，以判断竞争模型能否重现这些特征。

• 哪些种子最为常见？

  能够解释早期稀有类星体的路径，不一定能解释大多数黑洞。研究人员需要了解种子的丰度，包括那些始终较小的种子。

• 快速增长发生得有多频繁？

  强烈供给阶段的持续时间和发生频率，决定了轻种子能否追上起点更重的种子。

• 哪些环境起决定作用？

  气体流入、元素富集、附近恒星和并合历史，都会影响种子的形成方式以及之后发生的事情。

• 哪些证据保留了最初的状态？

  后续吸积可能掩盖初始质量。最有用的检验会结合年轻系统、增长较少的黑洞、宿主性质以及并合群体。

同一个宇宙中可能存在多种路径。目标是了解哪些形成与增长的组合能够解释观测到的多样性，以及在什么条件下成立。[3], [10]