【摘要】： 宇宙第一代天體的形成與宇宙再電離是現(xiàn)代天體物理的重要研究內(nèi)容。按照宇宙大爆炸理論模型[1,25],宇宙演化為今天的狀態(tài)之前經(jīng)歷了“從無到有”的創(chuàng)生、暴漲、原初元素的核合成、輻射與物質(zhì)的脫耦以及電離物質(zhì)的復(fù)合,隨后由于密度場的高斯擾動,宇宙又經(jīng)歷了物質(zhì)成團、暗物質(zhì)暈的形成、氣體經(jīng)過分子原子的冷卻作用形成第一代恒星等過程。而其中宇宙的再電離是一個非常重要也是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),其中涉及了早期星系與恒星的形成與演化,以及類星體、黑洞等天體的演化等方面的問題。 隨著觀測技術(shù)手段的不斷進步,特別是太空望遠鏡的發(fā)射升空和研究理論的不斷完善及發(fā)展,早期大爆炸宇宙學(xué)理論及其預(yù)言正在被越來越多的觀測事實所證實。但是,復(fù)合之后使宇宙再電離的電離源以及具體的再電離過程卻仍然是未解之謎。對目前已知的最高紅移的類星體的研究表明,宇宙中的IGM在紅移z～6時就基本完成了再電離[White et. al. 2003[95]、Wyithe Loeb 2003[97]]。由于再電離涉及到很多高紅移天體的行為,而目前的天文望遠鏡技術(shù)還很難直接觀測到紅移z 6時的宇宙圖像,所以只能通過發(fā)展迅速的計算機技術(shù)來模擬宇宙演化的一些片段。 本文中的討論都是在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的框架下進行的,討論所涉及的重點是超大質(zhì)量黑洞(SMBH,質(zhì)量為10~6M_⊙-10~9M_⊙)的“種子”黑洞的質(zhì)量增長方式以及中等質(zhì)量黑洞(IMBH,質(zhì)量為10~2M_⊙-10~5M_⊙)在吸積物質(zhì)、并表現(xiàn)為一顆mini-QSO時,對再電離的貢獻。 本文的第一章將介紹在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的框架下,宇宙結(jié)構(gòu)的形成以及暗物質(zhì)暈的數(shù)密度公式、氣體的冷卻以及坍縮、星族III(Pop III)恒星的形成、演化以及宇宙再電離的過程和各種可能引起宇宙再電離的機制;第二章里簡單地介紹了一下SMBH從“種子”黑洞開始演化后的質(zhì)量增長方式;第三章簡述M_(BH)-σ_*關(guān)系;第四章的主要內(nèi)容是運用數(shù)值模擬方法來研究z 6時IMBH的質(zhì)量增長;第五章的內(nèi)容則是關(guān)于定量計算mini-QSO對宇宙再電離的影響;在第六章對本文的工作進行了總結(jié)和討論。在本文的討論中,如無特別聲明,所使用的宇宙學(xué)參數(shù)都與Komatsu et al.(2009)[39]給出的WMAP五年數(shù)據(jù)保持一致:Ω_mh~2 = 0.1369,Ω_Λ= 0.721,Ωb= 0.0462, h = 0.701,σ_8 = 0.817。
【圖文】：

圖 1.1 表示在紅移 z～15-20 時，質(zhì)量分別為710 M 、810 M 、910 M 、1010 M 、1110 M 1210 M 、1310 M 、1410 M 以及1510 M 的暗物質(zhì)暈所對應(yīng)的數(shù)密度[取自 Mo & Wh（2002）[50]]。1.4 氣體的冷卻和坍縮恒星是由星際氣體凝聚而成的，并且該過程一直在不斷地進行。直接的證據(jù)是星系中存在星協(xié)，而星協(xié)是由較年輕的恒星組成的。間接的證據(jù)則是在星際氣體和塵埃中發(fā)現(xiàn)熱且年輕的恒星[一]。宇宙復(fù)合之后，重子的 Jeans 質(zhì)量為1.5 1.54J b16 1030 500Kz TM M + × Ω （1.6在冷卻時標(biāo)小于 Hubble 時標(biāo)的條件下，質(zhì)量大于JM 的密度擾動區(qū)域在引力不穩(wěn)定性的作用下開始坍縮。Tegmark et al. （1997）[82]曾經(jīng)給出在 z ～ 30時，能夠坍

1.5.3 Pop III 恒星的壽命和演化Pop I 與 Pop II 恒星的壽命取決于它們的質(zhì)量。質(zhì)量越大的恒星，演化得越迅速，，在主星序階段停留的時間也就越短，相應(yīng)地，恒星壽命也越短。而 Pop III恒星的壽命問題卻有所不同，它們的壽命雖然受到質(zhì)量的約束，但 Pop III 恒星的壽命隨質(zhì)量的變化卻不是很明顯，大多數(shù)壽命集中在63 × 10年左右。質(zhì)量處于50 M M 500M ≤ ≤ 區(qū)間的 Pop III 恒星可以用 Bond et al.（1984）[9]提出的如下公式來估計它們的壽命：( )( )( )1 21 261 23 21 20.139 0.611.7 1.7310 1 33 0.24 1.0550.39 0.139IIIMM yrMMτ × × + + （1.9）由（1.9）式可以看出，Pop III 恒星的質(zhì)量對于它們的壽命的影響主要體現(xiàn)在后兩項，這個公式的計算結(jié)果在下面的圖 1.2 上可以看得更清楚：
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：P159.3

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本文編號：2524851