Formation of very massive objects via collisions of main-sequence Pop. Ill stars in primordial clusters with a background potential

Abstract

La asombrosa existencia de agujeros negros supermasivos en el Universo primitivo es uno de los grandes misterios sin respuesta en astrofísica, en particular, cómo obtienen sus grandes masas tan rápido. Aquí nuestro interés consiste en explorar un nuevo escenario de formación de agujeros negros masivos: la formación por colisiones estelares catastróficas en cúmulos estelares densos. Nuestros sistemas están localizados en el universo temprano, con las denominadas estrellas de población III las cuales son muy masivas y, por tanto, cúmulos de estrellas de población III son sistemas estelares muy densos y masivos. Nuestras simulaciones de N cuerpos fueron corridas con el código NB0DY6+ + GPU y pueden ser divididas en dos grupos, uno con y otro sin potencial de fondo. Se ha establecido una masa crítica para la cual el número de colisiones es tan alto que puede llegar a formar objetos mas masivos al interior de estos cúmulos estelares de estrellas de población III. Aquí, nuestro objetivo es testear la existencia de esta masa crítica en un caso simplificado de cúmulos de estrellas de población III de igual masa. En términos de la eficiencia para la formación de un objeto masivo, encontramos que ocurre una transición, ya que la eficiencia es muy pequeña para masas considerablemente por debajo del valor de masa crítica, alcanzando valores de ~ 20 % una vez que comenzamos a acercarnos a la escala de masa crítica en nuestras simulaciones. Nuestros resultados sugieren que ocurre una transición crítica dependiendo de la masa del cúmulo y los objetos más masivos alcanzan masas de aproximadamente 1.7 x 105M☉.

The amazing existence of supermassive black holes in the primitive Universe is one of the great mysteries without answer in astrophysics, in particular, how they get their great masses so fast. Here our interest consists in exploring a new scenario for the formation of massive black holes: the formation by catastrophic stellar collisions in dense star clusters. Our systems are located in the early universe, with the so-called population III stars which are very massive, and therefore population III star clusters are very dense and massive stellar systems. Our N-body simulations were run with the code NB0DY6++GPU and can be divided into two groups, one with and the other without a background potential. A critical mass has been established for which the number of collisions is so high that most massive objects can form within these Population III star clusters. Here, our goal is to test the existence of this critical mass in a simplified case of Population HI star clusters of equal mass. In terms of the efficiency for the formation of a massive object, we find a transition to occur, as the efficiency is very small for masses considerably below the critical value while reaching values of ~ 20% once we start approaching the critical mass scale in our simulations. Our results thus suggest such a critical transition to occur depending on the mass of the cluster and the most massive objects reaching masses of about 1.7 x 105M☉.