From the first stars to the first black holes Rosa - - PowerPoint PPT Presentation
From the first stars to the first black holes Rosa Valiante 1 In collabora*on with: Raffaella Schneider 1 , Marta Volonteri 2 , Kazuyuki Omukai 3 1
the first stars and galaxies
In ¡collabora*on ¡with: ¡ ¡
¡
1 ¡INAF-‑Observatory ¡of ¡Rome ¡ 2 ¡CNRS, ¡UMR ¡7095, ¡Ins*tut ¡dAstrophysique ¡de ¡Paris ¡ 3 ¡Astronomical ¡Ins;tute, ¡Tohoku ¡University ¡
z>6 ¡SMBHs ¡are ¡as ¡massive ¡as ¡the ¡largest ¡SMBHs ¡observed ¡toady ¡ ¡ BUT ¡must ¡have ¡formed ¡in ¡< ¡∼1 ¡Gyr ¡ 1.2×1010 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SDSSJ0100 ¡ ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡most ¡massive ¡
2×109 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ULASJ1120 ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡most ¡distant ¡ ¡ ¡ ¡
Valiante, ¡Agarwal,Habouzit,Pezzulli ¡PASA ¡review ¡in ¡prep. ¡
z>6 ¡SMBHs ¡are ¡as ¡massive ¡as ¡the ¡largest ¡SMBHs ¡observed ¡toady ¡ ¡ BUT ¡must ¡have ¡formed ¡in ¡< ¡∼1 ¡Gyr ¡ 1.2×1010 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SDSSJ0100 ¡ ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡most ¡massive ¡
2×109 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ULASJ1120 ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡most ¡distant ¡ ¡ ¡ ¡
Valiante, ¡Agarwal,Habouzit,Pezzulli ¡PASA ¡review ¡in ¡prep. ¡
WHAT ¡IS ¡THE ¡NATURE ¡OF ¡THE ¡FIRST ¡SMBHS? ¡ HOW ¡AND ¡WHEN ¡THEIR ¡SEED ¡PROGENITORS ¡FORM? ¡ HOW ¡DO ¡THEY ¡RAPIDLY ¡GROW ¡UP ¡TO ¡> ¡109 ¡Msun? ¡
T<104 ¡K ¡ T>104 ¡K ¡ Direct ¡collapse ¡ BHs ¡ JLW>Jcr ¡ Mseed ¡up ¡to ¡100-‑300 ¡Msun ¡
Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ Volonteri ¡2003 ¡
adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡
Z ¡< ¡Zcr ¡
T<104 ¡K ¡ T>104 ¡K ¡ Direct ¡collapse ¡ BHs ¡ JLW>Jcr ¡
z=20 ¡à ¡z=7 ¡ ¡ ¡Δt=0.67 ¡Gyr ¡ ¡ ¡Mfin(z=7) ¡= ¡2×109 ¡Msun ¡
Accre*on ¡*me ¡scale: ¡ ε=0.1 ¡ fEdd=LEdd/L ¡ Min=102 ¡Msun ¡à à ¡tacc ¡≈ ¡0.8 ¡Gyr ¡at ¡L=Ledd ¡ ¡
adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡
Z ¡< ¡Zcr ¡ Mseed ¡up ¡to ¡100-‑300 ¡Msun ¡
Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ Volonteri ¡2003 ¡
T<104 ¡K ¡ T>104 ¡K ¡ Direct ¡collapse ¡ BHs ¡ JLW>Jcr ¡
z=20 ¡à ¡z=7 ¡ ¡ ¡Δt=0.67 ¡Gyr ¡ ¡ ¡Mfin(z=7) ¡= ¡2×109 ¡Msun ¡
Accre*on ¡*me ¡scale: ¡ ε=0.1 ¡ fEdd=LEdd/L ¡ Min=102 ¡Msun ¡à à ¡tacc ¡≈ ¡0.8 ¡Gyr ¡at ¡L=Ledd ¡ ¡ uninterrupted ¡accrebon ¡at ¡Eddington ¡rate ¡ ¡
à ¡see ¡E. ¡Pezzulli’s ¡talk ¡ ¡
adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡
Z ¡< ¡Zcr ¡ Mseed ¡up ¡to ¡100-‑300 ¡Msun ¡
Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ Volonteri ¡2003 ¡
T<104 ¡K ¡ T>104 ¡K ¡ Z ¡< ¡Zcr ¡
Direct ¡ ¡ collapse ¡BHs ¡
JLW>Jcr ¡
adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡
Mseed≈104-‑106 ¡Msun ¡
Volonteri ¡et ¡al. ¡2008; ¡ ¡ Ferrara ¡et ¡al. ¡2014 ¡
Mseed≈103-‑104 ¡Msun ¡
Devecchi ¡& ¡Volonteri ¡2009; ¡ ¡
Mseed ¡up ¡to ¡100-‑300 ¡Msun ¡
Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ Volonteri ¡2003 ¡
T<104 ¡K ¡ T>104 ¡K ¡ Z ¡< ¡Zcr ¡ JLW>Jcr ¡
adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡
Mseed≈104-‑106 ¡Msun ¡
Volonteri ¡et ¡al. ¡2008; ¡ ¡ Ferrara ¡et ¡al. ¡2014 ¡
Mseed≈103-‑104 ¡Msun ¡
Devecchi ¡& ¡Volonteri ¡2009; ¡ ¡
“Light ¡seeds” ¡ “Heavy ¡seeds” ¡ 105 ¡Msun ¡
Direct ¡ ¡ collapse ¡BHs ¡
Mseed ¡up ¡to ¡100-‑300 ¡Msun ¡
Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ Volonteri ¡2003 ¡
J1148: ¡one ¡of ¡the ¡most ¡distant ¡and ¡best ¡studied ¡quasar ¡ GAMETE/QSOdust ¡well ¡reproduce ¡its ¡host ¡galaxy ¡properbes ¡
Valiante ¡et ¡al. ¡2011, ¡2012, ¡2014, ¡2016, ¡Pezzulli ¡et ¡al. ¡2016 ¡
MBH~ ¡3×109 ¡Msun ¡
(Barth ¡et ¡al ¡2003; ¡ Willoo ¡et ¡al. ¡2003) ¡
Mh(z=6.4)=1013 ¡Msun ¡
(Fan ¡et ¡al. ¡2004) ¡
Valiante ¡et ¡al. ¡series ¡2011-‑2016 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Pezzulli ¡et ¡al. ¡2016 ¡ star ¡formabon: ¡ ¡ PopIII/II ¡SF ¡via ¡quiescent/burst ¡mode ¡ ¡ in ¡mini-‑ ¡and ¡Lyα-‑halos ¡ ¡ seed ¡BHs ¡formabon: ¡ Pop ¡III ¡remnants ¡(102 ¡ ¡Msun) ¡& ¡ DCBHs ¡(105 ¡Msun) ¡ ¡ BH ¡growth: ¡ ¡ Eddington-‑limited ¡accre*on ¡ ¡ and ¡mergers ¡ ¡
¡ ¡ ¡
z~25 ¡ z~6 ¡
Valiante ¡et ¡al. ¡series ¡2011-‑2016 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Pezzulli ¡et ¡al. ¡2016 ¡ star ¡formabon: ¡ ¡ PopIII/II ¡SF ¡via ¡quiescent/burst ¡mode ¡ ¡ in ¡mini-‑ ¡and ¡Lyα-‑halos ¡ ¡ seed ¡BHs ¡formabon: ¡ Pop ¡III ¡remnants ¡(102 ¡ ¡Msun) ¡& ¡ DCBHs ¡(105 ¡Msun) ¡ ¡ BH ¡growth: ¡ ¡ Eddington-‑limited ¡accre*on ¡ ¡ and ¡mergers ¡ ¡
¡ ¡
mechanical ¡feedback: ¡ ¡BH/SN ¡energy-‑driven ¡winds ¡ chemical ¡feedback: ¡ ¡ dust ¡and ¡metals ¡enrichment ¡ ¡ ¡ radiabve ¡feedback: ¡ ¡ stellar ¡and ¡AGN ¡UV ¡emission ¡ ¡
¡ ¡
¡
z~25 ¡ z~6 ¡
ZISM ¡< ¡Zcr≈10-‑4 ¡Zsun ¡à à ¡Pop ¡III ¡stars ¡
(Schneider ¡et ¡al. ¡2001; ¡2002; ¡2003) ¡ ¡
IMF ¡= ¡ ¡ mch ¡= ¡20 ¡Msun ¡and ¡10 ¡≤ ¡m★/Msun ¡≤ ¡300 ¡ mch ¡= ¡0.35 ¡Msun ¡and ¡0.1 ¡≤ ¡m★/Msun ¡≤ ¡100 ¡ ZISM ¡≥ ¡Zcr≈10-‑4 ¡Zsun ¡à à ¡Pop ¡II ¡stars ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(Schneider ¡et ¡al. ¡2001; ¡2002; ¡2003) ¡ ¡
¡ ¡ ¡ Pop ¡III ¡IMF ¡Stochas*c ¡sampling: ¡randomly ¡selected ¡stars ¡ ¡ Mstar ¡= ¡102 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Mstar ¡= ¡5×103 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Mstar ¡=1.6×105 ¡Msun ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ LW ¡flux ¡in ¡Vcom=50 ¡Mpc3 ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
stars ¡ AGN ¡
HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ LW ¡flux ¡in ¡Vcom=50 ¡Mpc3 ¡
J21=103 ¡ J21=300 ¡ J21=30 ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
stars ¡ AGN ¡
HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ Minimum ¡mass ¡of ¡star ¡forming ¡halos ¡ LW ¡flux ¡in ¡Vcom=50 ¡Mpc3 ¡
J21=103 ¡ J21=300 ¡ J21=30 ¡
mini-‑halos ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
stars ¡ AGN ¡
HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ Minimum ¡mass ¡of ¡star ¡forming ¡halos ¡
photo-‑dissociabon ¡
LW ¡flux ¡in ¡Vcom=50 ¡Mpc3 ¡
J21=103 ¡ J21=300 ¡ J21=30 ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
stars ¡ AGN ¡
HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ Minimum ¡mass ¡of ¡star ¡forming ¡halos ¡
photo-‑dissociabon ¡ photo-‑heabng ¡ ¡
LW ¡flux ¡in ¡Vcom=50 ¡Mpc3 ¡
J21=103 ¡ J21=300 ¡ J21=30 ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
stars ¡ AGN ¡
HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ Minimum ¡mass ¡of ¡star ¡forming ¡halos ¡
photo-‑dissociabon ¡ photo-‑heabng ¡ ¡ SF ¡in ¡mini-‑halos ¡is ¡suppressed ¡at ¡z<20 ¡ independently ¡of ¡the ¡merger ¡tree ¡ resolubon ¡mass ¡
LW ¡flux ¡in ¡Vcom=50 ¡Mpc3 ¡
J21=103 ¡ J21=300 ¡ J21=30 ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
stars ¡ AGN ¡
Light ¡seeds ¡number ¡fracbon ¡
Light ¡seeds ¡start ¡forming ¡at ¡ z≈24 ¡with ¡a ¡peak ¡at ¡z≈17 ¡ LS ¡formabon ¡stops ¡at ¡ z≈15.5 ¡when ¡ZISM>Zcr ¡
<Ntot>=631 ¡
The ¡properbes ¡of ¡seeds ¡birth ¡environments ¡are ¡regulated ¡by ¡chemical ¡and ¡radiabve ¡feedback ¡ (only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
Light ¡seeds ¡number ¡fracbon ¡ Heavy ¡seeds ¡number ¡fracbon ¡
Light ¡seeds ¡start ¡forming ¡at ¡ z≈24 ¡with ¡a ¡peak ¡at ¡z≈17 ¡ LS ¡formabon ¡stops ¡at ¡ z≈15.5 ¡when ¡ZISM>Zcr ¡ Heavy ¡seeds ¡form ¡in ¡a ¡ narrow ¡redshit ¡range ¡ >80% ¡at ¡z≈16.5 ¡ ¡ (rare ¡birth ¡environments) ¡ ¡
<Ntot>=631 ¡ <Ntot>=13 ¡ 105 ¡Msun ¡
The ¡properbes ¡of ¡seeds ¡birth ¡environments ¡are ¡regulated ¡by ¡chemical ¡and ¡radiabve ¡feedback ¡ (only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
(only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
J1148 ¡@ ¡z=6.4 ¡ (only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
J1148 ¡@ ¡z=6.4 ¡
Total ¡BH ¡mass ¡ ¡ (mergers+accre*on) ¡
(only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
J1148 ¡@ ¡z=6.4 ¡
Total ¡BH ¡mass ¡ ¡ (mergers+accre*on) ¡ Progenitor ¡ ¡ Heavy ¡seeds ¡ ¡ (w/o ¡accre*on) ¡
Mheavy=105 ¡Msun ¡ Jcrit ¡= ¡300 ¡ (10-‑21 ¡erg/s/Hz/cm2/sr) ¡
(only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
J1148 ¡@ ¡z=6.4 ¡
Total ¡BH ¡mass ¡ ¡ (mergers+accre*on) ¡ Progenitor ¡ Light ¡seeds ¡ (w/o ¡accre*on) ¡ Progenitor ¡ ¡ Heavy ¡seeds ¡ ¡ (w/o ¡accre*on) ¡
Mheavy=105 ¡Msun ¡ Jcrit ¡= ¡300 ¡ (10-‑21 ¡erg/s/Hz/cm2/sr) ¡
(only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
J1148 ¡@ ¡z=6.4 ¡
Total ¡BH ¡mass ¡ ¡ (mergers+accre*on) ¡ Progenitor ¡ Light ¡seeds ¡ (w/o ¡accre*on) ¡
Progenitor ¡ Heavy ¡seeds ¡ ¡ (w/o ¡accre*on) ¡ In ¡Eddington-‑limited ¡gas ¡accrebon ¡scenarios, ¡heavy ¡seeds ¡ ¡ are ¡required ¡to ¡grow ¡a ¡SMBH ¡at ¡z ¡> ¡6. ¡ ¡
Mheavy=105 ¡Msun ¡ Jcrit ¡= ¡300 ¡ (10-‑21 ¡erg/s/Hz/cm2/sr) ¡
(only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
The ¡relabve ¡contribubon ¡of ¡light ¡and ¡heavy ¡seeds ¡depends ¡on ¡the ¡individual ¡merger ¡tree. ¡
The ¡larger ¡is ¡the ¡redshit ¡at ¡which ¡light ¡seeds ¡start ¡to ¡form ¡the ¡larger ¡is ¡their ¡total ¡contribubon ¡ ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
Valiante ¡et ¡al. ¡2016. ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
The ¡relabve ¡contribubon ¡of ¡light ¡and ¡heavy ¡seeds ¡depends ¡on ¡the ¡individual ¡merger ¡tree. ¡
The ¡larger ¡is ¡the ¡redshit ¡at ¡which ¡light ¡seeds ¡start ¡to ¡form ¡the ¡larger ¡is ¡their ¡total ¡contribubon ¡ ¡
Jcr ¡= ¡103 ¡ MBH ¡< ¡106 ¡Msun ¡at ¡z ¡∼ ¡6.4 ¡
J21=103 ¡ J21=300 ¡ J21=30 ¡
JLW ¡> ¡Jcr ¡= ¡103 ¡at ¡z≈14.5 ¡when ¡ ZISM>Zcr ¡in ¡all ¡progenitor ¡halos ¡ No ¡Heavy ¡seeds ¡form ¡ much ¡higher ¡BH ¡accrebon ¡efficiency ¡ ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
As ¡for ¡a ¡higher ¡Jcr, ¡no ¡heavy ¡seeds ¡form ¡if ¡Pop ¡III/II ¡transibon ¡is ¡driven ¡by ¡dust ¡ MBH ¡< ¡105 ¡Msun ¡at ¡z ¡∼ ¡6.4 ¡ D>Dcr ¡at ¡z≈21 ¡when ¡ZIGM≈10-‑6 ¡Zsun ¡ JLW>Jcr ¡at ¡z≈16.5 ¡ BH ¡mass ¡evolubon ¡ IGM ¡metallicity ¡and ¡dust-‑to-‑gas ¡rabo ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
between ¡3 ¡to ¡∼ ¡30 ¡heavy ¡seeds ¡are ¡able ¡to ¡form ¡before ¡metals ¡have ¡enriched ¡all ¡the ¡ progenitor ¡galaxies ¡to ¡Z ¡> ¡Zcr ¡and ¡low-‑mass ¡Pop ¡II ¡stars ¡form. ¡ ¡ ¡ The ¡growth ¡of ¡a ¡SMBH ¡with ¡a ¡mass ¡of ¡MBH ¡= ¡3×109 ¡Msun ¡at ¡z ¡= ¡6.4 ¡-‑ ¡as ¡inferred ¡for ¡J1148 ¡– ¡ relies ¡on ¡heavy ¡seeds. ¡ ¡ ¡ A ¡larger ¡value ¡of ¡Jcr ¡(= ¡103) ¡or ¡a ¡Pop ¡III/Pop ¡II ¡transibon ¡driven ¡by ¡dust-‑cooling ¡ ¡ at ¡Dcr ¡= ¡4.4×10−9 ¡prevent ¡the ¡formabon ¡of ¡heavy ¡seeds ¡ ¡ We ¡are ¡able ¡to ¡idenbfy ¡BH ¡seed ¡progenitors ¡of ¡the ¡first ¡SMBHs ¡and ¡to ¡study ¡the ¡condibons ¡ that ¡allow ¡these ¡seeds ¡to ¡form ¡and ¡grow ¡ ¡
between ¡3 ¡to ¡∼ ¡30 ¡heavy ¡seeds ¡are ¡able ¡to ¡form ¡before ¡metals ¡have ¡enriched ¡all ¡the ¡ progenitor ¡galaxies ¡to ¡Z ¡> ¡Zcr ¡and ¡low-‑mass ¡Pop ¡II ¡stars ¡form. ¡ ¡ ¡ The ¡growth ¡of ¡a ¡SMBH ¡with ¡a ¡mass ¡of ¡MBH ¡= ¡3×109 ¡Msun ¡at ¡z ¡= ¡6.4 ¡-‑ ¡as ¡inferred ¡for ¡J1148 ¡– ¡ relies ¡on ¡heavy ¡seeds. ¡ ¡ ¡ A ¡larger ¡value ¡of ¡Jcr ¡(= ¡103) ¡or ¡a ¡Pop ¡III/Pop ¡II ¡transibon ¡driven ¡by ¡dust-‑cooling ¡ ¡ at ¡Dcr ¡= ¡4.4×10−9 ¡prevent ¡the ¡formabon ¡of ¡heavy ¡seeds ¡ ¡ We ¡are ¡able ¡to ¡idenbfy ¡BH ¡seed ¡progenitors ¡of ¡the ¡first ¡SMBHs ¡and ¡to ¡study ¡the ¡condibons ¡ that ¡allow ¡these ¡seeds ¡to ¡form ¡and ¡grow ¡ ¡ ¡ ¡
Local ¡data ¡& ¡fit ¡from ¡ ¡ Sani ¡et ¡al. ¡2011 ¡
deBennassu;, ¡Salvadori, ¡Schneider, ¡RV, ¡Omukai, ¡2016 ¡submiWed ¡ Mstar ¡= ¡102 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ Mstar ¡= ¡103 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ Mstar ¡= ¡104 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡ Mstar ¡= ¡106 ¡Msun ¡ ¡ ¡ ¡
DCBHs ¡104-‑106 ¡Msun ¡
(Volonteri ¡et ¡al. ¡2008 ¡ Ferrara ¡et ¡al. ¡2014) ¡
Runaway ¡stellar ¡ mergers ¡~103 ¡Msun ¡
(Devecchi ¡& ¡Volonteri ¡2009) ¡
Pop ¡III ¡remnants ¡ 100-‑200 ¡Msun ¡
(Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡ Heger ¡et ¡al. ¡2003) ¡ from ¡Volonteri ¡2010 ¡
Number ¡of ¡dark ¡mamer ¡halos ¡ Merger ¡tree ¡resolu*on ¡mass ¡
Lyα-‑halos ¡(T≥104 ¡K) ¡ mini-‑halos ¡(T<104 ¡K) ¡
=1 ¡ ¡ Lyα-‑halos ¡ <1 ¡ ¡ mini-‑halos ¡ According ¡to ¡JLW,T,ZISM,z ¡ (see ¡Mameo’s ¡talk) ¡ Valiante ¡et ¡al. ¡2015 ¡in ¡prep ¡
fcool ¡decreases ¡with ¡redship ¡ ¡ ¡ lower ¡metallicity ¡halos ¡have ¡ ¡ lower ¡fcool ¡
¡
the ¡higher ¡is ¡JLW ¡the ¡lower ¡is ¡fcool ¡ ¡ ¡ z<10 ¡mini-‑halos ¡are ¡suppressed ¡ If ¡JLW>0 ¡and ¡ZISM<Zsun ¡
≈ ¡40% ¡of ¡light ¡seeds ¡in ¡ the ¡largest ¡mass ¡bin ¡ [260-‑300]Msun ¡
Light ¡seeds ¡number ¡fracbon ¡ Heavy ¡seeds ¡number ¡fracbon ¡ Light ¡seeds ¡birth ¡mass ¡
Light ¡seeds ¡start ¡forming ¡at ¡ z≈24 ¡with ¡a ¡peak ¡at ¡z≈17 ¡ LS ¡formabon ¡stops ¡at ¡ z≈15.5 ¡when ¡ZISM>Zcr ¡ Heavy ¡seeds ¡form ¡in ¡a ¡ narrow ¡redshit ¡range ¡ >80% ¡at ¡z≈16.5 ¡ ¡ (rare ¡birth ¡environments) ¡ ¡
<Ntot>=631 ¡
The ¡properbes ¡of ¡seeds ¡birth ¡environments ¡are ¡regulated ¡by ¡chemical ¡and ¡radiabve ¡feedback ¡ (only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡
<Ntot>=13 ¡ 105 ¡Msun ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
SF ¡in ¡ZISM<Zsun ¡mini-‑halos ¡is ¡ ¡ suppressed ¡at ¡z<6 ¡ SF ¡in ¡ZISM<Zsun ¡mini-‑halos ¡is ¡ ¡ suppressed ¡at ¡z<10 ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
SF ¡in ¡ZISM<Zsun ¡mini-‑halos ¡is ¡ ¡ suppressed ¡at ¡z<10 ¡ SF ¡in ¡ZISM<Zsun ¡mini-‑halos ¡is ¡ ¡ suppressed ¡at ¡z<15 ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
J1148 ¡@ ¡z=6.4 ¡
Total ¡BH ¡mass ¡ ¡ (mergers+accre*on) ¡ Progenitor ¡ Light ¡seeds ¡ (w/o ¡accre*on) ¡
Progenitor ¡ Heavy ¡seeds ¡ ¡ (w/o ¡accre*on) ¡ LS ¡ dominated ¡
Mheavy=105 ¡Msun ¡ Jcrit ¡= ¡300 ¡ (10-‑21 ¡erg/s/Hz/cm2/sr) ¡
(only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
J1148 ¡@ ¡z=6.4 ¡
Total ¡BH ¡mass ¡ ¡ (mergers+accre*on) ¡ Progenitor ¡ Light ¡seeds ¡ (w/o ¡accre*on) ¡
Progenitor ¡ Heavy ¡seeds ¡ ¡ (w/o ¡accre*on) ¡
Mheavy=105 ¡Msun ¡ Jcrit ¡= ¡300 ¡ (10-‑21 ¡erg/s/Hz/cm2/sr) ¡
(only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡ LS ¡ dominated ¡ HS ¡dominated ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
J1148 ¡@ ¡z=6.4 ¡
Total ¡BH ¡mass ¡ ¡ (mergers+accre*on) ¡ Progenitor ¡ Light ¡seeds ¡ (w/o ¡accre*on) ¡
Progenitor ¡ Heavy ¡seeds ¡ ¡ (w/o ¡accre*on) ¡ HS ¡dominated ¡ accre*on ¡ dominated ¡
Mheavy=105 ¡Msun ¡ Jcrit ¡= ¡300 ¡ (10-‑21 ¡erg/s/Hz/cm2/sr) ¡
(only ¡final ¡BH ¡progenitors ¡are ¡considered, ¡i.e. ¡no ¡satellite ¡BHs) ¡ LS ¡ dominated ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
BH ¡mass ¡evolubon ¡ Progenitor ¡halos ¡ISM ¡metallicity ¡ Zcr ¡ ZIGM ¡ JLW ¡> ¡Jcr ¡at ¡z≈16.5 ¡ ¡JLW ¡> ¡Jcr ¡at ¡z≈15.5 ¡ Super-‑cribcal ¡accrebon ¡required ¡ (see ¡E. ¡Pezzulli’s ¡talk) ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
Valiante ¡et ¡al. ¡2015 ¡ LW ¡flux ¡in ¡Vcom=50 ¡Mpc3 ¡ HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ IGM ¡metallicity ¡
HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ LW ¡flux ¡in ¡Vcom=50 ¡Mpc3 ¡
SF ¡in ¡mini-‑halos ¡is ¡suppressed ¡already ¡ ¡ at ¡z≤20 ¡for ¡JLW≥10 ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
Stellar ¡IMF ¡ Hirano ¡et ¡al. ¡(2015) ¡theorebcal ¡mass ¡ distribubon ¡for ¡primordial ¡stars ¡
J21>0.1 ¡ J21<0.1 ¡ J21 ¡< ¡0.1 ¡à à ¡two ¡peaks ¡IMF ¡at ¡25 ¡Msun ¡and ¡250 ¡Msun ¡ J21 ¡> ¡0.1 ¡à à ¡only ¡massive ¡stars ¡(>100 ¡Msun) ¡forms ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
light ¡seeds ¡number ¡fracbon ¡ light ¡seeds ¡birth ¡mass ¡
Heavy ¡seeds ¡ form ¡only ¡in ¡ ¡ 3 ¡out ¡of ¡10 ¡ realizabons ¡ Whether ¡or ¡not ¡ a ¡SMBH ¡forms ¡ depends ¡on ¡the ¡ gas ¡accrebon ¡ history ¡ 10 ¡bmes ¡more ¡ light ¡seeds ¡ 30% ¡light ¡seeds ¡ with ¡m>300 ¡Msun ¡ ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
Reference ¡model ¡à à ¡only ¡the ¡most ¡massive ¡Pop ¡III ¡remnant ¡is ¡considered ¡as ¡a ¡light ¡seed ¡BH ¡ Test ¡à à ¡all ¡Pop ¡III ¡remnants ¡merge ¡to ¡form ¡a ¡single ¡(more ¡massive) ¡light ¡seed ¡
ligth ¡seeds ¡number ¡fracbon ¡ ligth ¡seeds ¡birth ¡mass ¡ BH ¡mass ¡evolubon ¡
light ¡seeds ¡formed ¡via ¡ coalescence ¡of ¡few ¡to ¡few ¡ hundreds ¡Pop ¡III ¡remnants ¡ Can ¡be ¡as ¡massive ¡as ¡a ¡ heavy ¡seed, ¡105 ¡Msun ¡ ¡a ¡much ¡larger ¡number ¡
due ¡to ¡the ¡strongest ¡ BH ¡feedback ¡ ¡ ¡ Light ¡seeds ¡dominate ¡ BH ¡growth ¡and ¡a ¡factor ¡
formed ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡
at ¡z≈6 ¡
Dijkstra ¡et ¡al. ¡2014 ¡
by ¡z≈15 ¡ progenitor ¡DCBHs ¡ all ¡DCBHs ¡ ¡ (including ¡satellites) ¡
Agarwal ¡et ¡al ¡2014 ¡ nDCBH≈0.09 ¡cMpc-‑3 ¡ Jcr ¡= ¡30 ¡
Mseed=105 ¡Msun ¡ Jcr=300 ¡
RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡