[论文解读] Primordial Black Hole Formation during the QCD Epoch

Karsten Jedamzik|arXiv (Cornell University)|May 24, 1996

Cosmology and Gravitation Theories被引用 13

一句话总结

本文提出，由于在色 confinement 相变期间压力和声速急剧下降，原初黑洞（PBHs）可能在QCD 时期高效形成。研究表明，PBH 质量函数在约1个太阳质量处达到峰值——与MACHO晕系天体的质量相匹配——提供了一种可行的暗物质候选者，且可避开核合成与亮度约束。

ABSTRACT

We consider the formation of horizon-size primordial black holes (PBH's) from pre-existing density fluctuations during cosmic phase transitions. It is pointed out that the formation of PBH's should be particularly efficient during the QCD epoch due to a substantial reduction of pressure forces during adiabatic collapse, or equivalently, a significant decrease in the effective speed of sound during the color-confinement transition. Our considerations imply that for generic initial density perturbation spectra PBH mass functions are expected to exhibit a pronounced peak on the QCD-horizon mass scale $\sim 1 M_{\odot}$. This mass scale is roughly coincident with the estimated masses for compact objects recently observed in our galactic halo by the MACHO collaboration. Black holes formed during the QCD epoch may offer an attractive explanation for the origin of halo dark matter evading possibly problematic nucleosynthesis and luminosity bounds on baryonic halo dark matter.

研究动机与目标

• 研究原初黑洞（PBHs）在QCD 相变期间的形成效率。
• 分析在色 confinement 相变期间压力和声速降低如何影响引力坍缩。
• 确定由此产生的PBH 质量函数及其对星系晕中暗物质的影响。
• 评估QCD 时期形成的PBHs 是否能解释MACHO 观测结果而不违反宇宙学约束。
• 评估此类PBHs 是否可避开对重子暗物质的核合成与亮度界限。

提出的方法

• 使用有效状态方程（声速降低）对QCD 时期密度涨落的绝热坍缩进行建模。
• 计算QCD 相变时刻的视界质量尺度，对应约1 M☉。
• 基于密度涨落幅度相对于视界质量的条件，应用PBH 形成标准。
• 利用有效声速降低来估算坍缩与PBH 生成效率的增强。
• 在修改后的状态方程下，从通用初始涨落谱推导PBH 质量函数。
• 将预测的PBH 质量函数峰值与观测到的MACHO 晕系天体质量进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCD 相变期间声速降低如何影响原初黑洞的形成？
• RQ2 QCD 时期形成的PBH 的特征质量尺度是什么？
• RQ3 在QCD 相变期间形成的PBH 能否解释致密晕天体的观测质量分布？
• RQ4 QCD 时期形成的PBH 是否满足对重子暗物质的核合成与亮度约束？
• RQ5 从通用初始谱得到的PBH 质量函数是否在QCD 视界质量尺度处表现出显著峰值？

主要发现

• 由于色 confinement 相变期间有效声速急剧降低，原初黑洞的形成在QCD 时期显著增强。
• PBH 质量函数在约1个太阳质量处表现出显著峰值，对应QCD 视界质量尺度。
• 该峰值质量尺度与MACHO合作项目在银河晕中探测到的致密天体质量估计值高度一致。
• 在QCD 时期形成的PBH 为晕系暗物质提供了一种可行的解释，且可避开限制重子暗物质模型的核合成与亮度约束。
• 该模型表明，通用初始密度涨落谱自然导致PBH 质量函数在QCD 视界质量尺度处出现强烈峰值。
• 结果表明，由于相变期间独特的热力学条件，QCD 时期是PBH 形成的特别有利窗口。