暗物质播种的大质量黑洞——对小红点和引力波信号的影响
4/4/2025
astro-ph.GA - Astrophysics of Galaxies
/Users/zhangsan/PycharmProjects/aigupiao/ccc/now1/astro-ph.GA - Astrophysics of Galaxies/20250402/2504.00075.pdf
暗物质播种的大质量黑洞——对小红点和引力波信号的影响
沈廷伟
沈学健
肖煌宇
Mark Vogelsberger
蒋方舟
¹ 哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院，美国波士顿，MA 02134；² 麻省理工学院卡弗里天体物理学与空间研究研究所，美国剑桥，MA 02139；³ 费米实验室理论部，美国巴达维亚，IL 60510；⁴ 芝加哥大学卡弗里宇宙学物理研究所，美国芝加哥，IL 60637；⁵ 北京大学卡弗里天文与天体物理研究所，中国北京 100871
摘要
高红移超大质量黑洞（SMBHs）的观测挑战了标准的种子形成情景。我们研究了一种耗散自相互作用暗物质（dSIDM）模型，其中引力热坍缩导致大质量黑洞种子从头形成。我们利用一个半解析框架来预测由dSIDM播种的SMBH群体的性质。我们复现了十亿太阳质量的类星体以及低质量的暗弱活动星系核（称为小红点），其SMBH与星系恒星质量比与最近詹姆斯·韦伯空间望远镜的观测结果一致。为了匹配观测到的明亮类星体的丰度，我们建议存在一个百分比水平的占空比，这意味着存在大量休眠的SMBHs。这些大质量SMBH合并产生的引力波（GW）信号可以被LISA探测到，同时仍在NANOGrav对引力波背景的限制之内。这些结果为暗物质驱动的SMBH形成提供了可检验的特征，为通过SMBH和引力波观测探测隐藏扇区物理提供了一条途径。
研究背景
领域
本研究聚焦于高红移超大质量黑洞（SMBHs）的起源与演化，特别是在自相互作用暗物质（SIDM）的背景下。
问题陈述
标准天体物理模型难以解释宇宙早期（z≥6）已形成的超大质量黑洞，以及近期JWST观测到的“小红点”（LRDs）星系中黑洞相对于宿主星系异常大的质量比。
理论基础
研究建立在耗散性自相互作用暗物质（dSIDM）模型之上，该模型提出暗物质可通过引力热灾变塌缩直接形成大质量黑洞种子。
研究目标或问题
本研究旨在检验dSIDM驱动的黑洞形成模型的宇宙学后果及其可观测特征，包括对早期SMBH群体、标度关系及引力波信号的预测。
研究意义
该研究为早期SMBH的快速形成提供了一个替代方案，连接了暗物质物理与黑洞演化，并为JWST和未来引力波探测器（如LISA）提供了可检验的独特信号。