Impact of radiation backgrounds on the formation of massive black holes

Abstract

La existencia de agujeros negros supermasivos de mil millones de masas solares a muy alto corrimiento al rojo, nos ha motivado a estudiar como estos objetos tan masivos se forman durante los primeros miles de millones de años después del Big Bang. Un modelo prometedor que se ha propuesto es el colapso directo de nubes de gas protogalácticas. Este escenario requiere altas tasas de acreción para crear rápidamente objetos masivos y la inhibición del enfriamiento que causa Ha I, el cuál es importante en el proceso de fragmentación. Estudios recientes mostraron que, si usamos un fondo radiativo fuerte, el hidrógeno molecular se destruye, favoreciendo las altas tasas de acreción y por lo tanto formando objetos de muy alta masa. En este trabajo estudiamos el impacto de campos de radiación UV en una nube de gas primordial, usando el código GRADSPH-KROME para investigar el proceso de fragmentación en escalas de unidades astronómicas y por lo tanto la formación de los primeros agujeros negros supermasivos. Encontramos que para suprimir la formación de Ha I es necesario un valor de Jai muy alto (~ 105). Como se mostró en un trabajo previo, tales fondos de radiación fuertes son muy raros, por lo que el colapso directo es difícil de conseguir. Por lo tanto, este método difícilmente podría explicar la formación de los primeros agujeros negros supermasivos.

The presence of supermassive black holes (SMBHs) of a few billion solar masses at very high redshift, has motivated us to study how these massive objects formed during the first billion years after the Big Bang. A promising model that has been proposed to explain this, is the direct collapse of protogalactic gas clouds. In this scenario, very high accretion rates are needed to form massive objects early on, and the suppression of Ha I cooling is important in regulating the fragmentation. Recent studies have shown that if we use a strong radiation background, the hydrogen molecules are destroyed, favoring the high accretion rates and therefore producing objects of very high mass. In this work, we study the impact of UV radiation fields in a primordial gas cloud using the recently coupled code GRADSPH-KROME for the modeling of gravitational collapse, including primordial chemistry to explore the fragmentation in AU scales and hence the formation of thr first SMBHs. We found that, to suppress the formation of Ha I, a very high value of Jai is required (~ 105). As shown in a previous work, such strong radiation backgrounds are very rare, so that the direct collapse may be difficult to achieve. Therefore, this method could hardly explain the formation of the first SMBHs.