[论文解读] Observational Evidence for Primordial Black Holes: A Positivist Perspective

B. J. Carr, Sébastien Clesse+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 427被引用 23

一句话总结

本综述汇集了来自透镜效应、动力学、吸积和引力波数据的原始黑洞（PBHs）的观测指示，主张在扩展质量函数的前提下形成统一的 PBH 场景。

ABSTRACT

We review numerous arguments for primordial black holes (PBHs) based on observational evidence from a variety of lensing, dynamical, accretion and gravitational-wave effects. This represents a shift from the usual emphasis on PBH constraints and provides what we term a positivist perspective. Microlensing observations of stars and quasars suggest that PBHs of around $1\,M_{\odot}$ could provide much of the dark matter in galactic halos, this being allowed by the Large Magellanic Cloud microlensing observations if the PBHs have an extended mass function. More generally, providing the mass and dark matter fraction of the PBHs is large enough, the associated Poisson fluctuations could generate the first bound objects at a much earlier epoch than in the standard cosmological scenario. This simultaneously explains the recent detection of high-redshift dwarf galaxies, puzzling correlations of the source-subtracted infrared and X-ray cosmic backgrounds, the size and the mass-to-light ratios of ultra-faint-dwarf galaxies, the dynamical heating of the Galactic disk, and the binary coalescences observed by LIGO/Virgo/KAGRA in a mass range not usually associated with stellar remnants. Even if PBHs provide only a small fraction of the dark matter, they could explain various other observational conundra, and sufficiently large ones could seed the supermassive black holes in galactic nuclei or even early galaxies themselves. We argue that PBHs would naturally have formed around the electroweak, quantum chromodynamics and electron-positron annihilation epochs, when the sound-speed inevitably dips. This leads to an extended PBH mass function with a number of distinct bumps, the most prominent one being at around $1\,M_{\odot}$, and this would allow PBHs to explain many of the observations in a unified way.

研究动机与目标

• 评估表明 PBHs 可能贡献于暗物质和宇宙结构形成的观测证据。
• 评估 PBH 聚集、透镜效应、动力学和引力波如何融入统一的 PBH 场景。
• 讨论能够解释多样宇宙观测的质量函数形状及形成时期。

提出的方法

• 在统一的 PBH 框架内综合多种观测通道（微透镜、动力学、吸积、GW）。
• 讨论泊松聚集和种子效应以建模 PBH 波动和聚集形成。
• 概述将 PBH 质量、丰度与聚集联系到可观测信号的数学关系（例如等熵涨落、聚集尺度）。
• 主张采用与早期宇宙相变相关特征的扩展 PBH 质量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质量函数扩展的情况下，PBHs 是否能在不违反现有约束的前提下提供显著比例的暗物质？
• RQ2 PBH 的泊松聚集如何影响结构形成、微透镜信号和引力波事件率？
• RQ3 哪些早期宇宙时期和声速下降有利于在特定质量尺度（如 QCD、弱相互作用、e+e− 湮灭）形成 PBH，它们如何与观测相关？
• RQ4 单一的 PBH 场景是否能够同时解释高红移星系形成、CIB–XRB 相关性、极低光矮星系属性以及 LVK 的探测？

主要发现

• 在太阳质量附近的扩展质量函数的 PBHs 可能占据星系晕中相当数量的暗物质，在某些质量函数假设下与 LMC 微透镜观测兼容。
• 来自 PBHs 的泊松涨落导致早期大尺度聚集，可能在高红移时播下非线性结构，影响宇宙背景和早期星系形成。
• PBH 聚集可解释极暗矮系中的特征，可能影响银河盘加热以及 LVK 观测到的 PBH 合并率。
• 统一的 PBH 框架有望解决多种宇宙学难题，包括超大质量黑洞种子和早期星系形成，即使 PBHs 仅占少量 DM。
• 最显著的 PBH 质量特征约在 1 solar mass，来自具有声音速度下降的特定早期宇宙时期，支持多峰扩展质量函数。
• PBH 聚集通过弛豫、加热和可能的蒸发演化，动力学时间尺度限制了现今聚集的规模和生存能力。